Разработка приложений в среде Linux. Второе издание - Майкл Джонсон

Распространены и некоторые другие коды возврата ошибок, которые относятся только к сетевым функциям. Более подробную информацию можно найти в главе 17.

9.3. Поиск заголовочных и библиотечных файлов

Заголовочные файлы в системе Linux хранятся в иерархии каталогов /usr/include. Именно там по умолчанию компилятор ищет включаемые файлы. (Заголовочные файлы могут храниться за пределами /usr/include, но тогда на них имеются ссылки внутри /usr/include. Например, на момент написания книги включаемые файлы системы X были расположены в /usr/X11R6/include/X11, но благодаря символической ссылке компилятор мог найти их через /usr/include/X11.)

С библиотеками дело обстоит практически так же, правда, с некоторыми нюансами. Библиотеки, которые считаются важными для загрузки системы (и ее отладки в случае необходимости), расположены в /lib. Другие системные библиотеки находятся в /usr/lib, кроме библиотек X11R6, которые хранятся в /usr/X11R6/lib. Компилятор по умолчанию будет искать стандартные системные библиотеки.

Некоторые библиотеки обеспечивают поддержку разработки в одной системе для нескольких основных своих версий. В большинстве случаев доступны специальные утилиты конфигурации, которые обеспечивают включение корректных версий заголовочных файлов и компоновку с подходящими версиями библиотек. Унифицированный инструмент под названием pkg-config обеспечивает эту информацию для каждой версии каждой библиотеки, разработанной для его поддержки.

Часть III

Системное программирование

Глава 10

Модель процессов

Модель процессов — один из "фирменных знаков" Unix. Это — ключ к пониманию прав доступа, отношений между открытыми файлами, сигналов, управления заданиями и большинства других низкоуровневых понятий, описанных в этой книге. Linux адаптирует большую часть модели процессов Unix и добавляет собственные новые идеи, касающиеся реализации облегченных потоков.

10.1. Определение процесса

Что такое процесс? В исходной реализации Unix процессом была любая выполняющаяся программа. Для каждой программы ядро системы отслеживает перечисленные ниже аспекты.

• Текущая точка выполнения (такая как ожидание возврата системного вызова из ядра), часто называемая программным контекстом.

• К каким файлам имеет доступ программа.

• Сертификаты (credentials) программы (например, какой пользователь и группа владеют процессом).

• Текущий каталог программы.

• К какому пространству памяти имеет доступ программа и как оно распределено.

Процесс также является базовой единицей планирования для операционной системы. Только процессам разрешено выполняться в центральном процессоре.

10.1.1. Усложнение концепции — потоки

Хотя определение процесса может показаться очевидным, концепция потока (thread) делает все это несколько менее ясным. Поток позволяет единственной программе выполняться во многих местах одновременно. Все потоки, созданные одной программой, разделяют большинство характеристик, которые отличают процессы друг от друга. Например, множество потоков, порожденных от одной программы, разделяют информацию об открытых файлах, правах доступа, текущем каталоге и образе памяти. Как только один из потоков модифицирует глобальную переменную, все потоки увидят новое значение, а не только тот, что это сделал.

Многие реализации Unix (включая каноническую версию AT&T System V) были перепроектированы, чтобы сделать потоки фундаментальным элементом планирования для ядра, и процесс превратился в коллекцию потоков, разделяющих ресурсы. Поскольку множество ресурсов разделяется между потоками, ядро может быстрее переключаться между потоками одного процесса, чем оно это делает при полноконтекстном переключении между процессами. В результате в большинстве ядер Unix существует двухуровневая модель процессов, которая различает потоки и процессы.

10.1.2. Подход Linux

В Linux, однако, все идет другим путем. Переключение контекстов в Linux всегда было исключительно быстрым (примерно на том же уровне, как новые "переключатели потоков", представленные в двухуровневом подходе), что стимулировало разработчиков ядра вместо смены подхода к планированию процессов позволить процессам разделять ресурсы более либерально.

Под Linux процесс определен исключительно как планируемая сущность, и единственная вещь, которая уникальна для процесса — это текущий контекст выполнения. Он не предполагает ничего относительно разделенных ресурсов, потому что процесс, создающий новый дочерний процесс, имеет полный контроль над тем, какие из ресурсов процессы могут разделять между собой (см. детали в описании системного вызова clone() в конце этой главы). Эта модель позволяет сохранять традиционную систему управления процессами Unix, в то время как традиционный интерфейс потоков строится вне ядра.

К счастью, разница между моделью процессов Linux и двухуровневым подходом проявляется редко. В настоящей книге мы используем термин процесс для обозначения набора из (обычно, одной) планируемых сущностей, которые разделяют основные ресурсы. Когда процесс состоит из одного потока, мы используем эти термины как взаимозаменяемые. Чтобы не усложнять, в большей части этой главы мы будем игнорировать потоки полностью. До ее завершения мы обсудим системный вызов clone(), который используется для создания потоков (и может также создавать нормальные процессы).

10.2 Атрибуты процессов

10.2.1. Идентификатор процесса и происхождение

Два из наиболее фундаментальных атрибутов — это идентификатор процесса (process ID), или pid, а также идентификатор его родительского процесса. Идентификатор pid — это положительное целое число, которое уникально идентифицирует работающий процесс и сохраняется в переменной типа pid_t. Когда создается новый процесс, исходный процесс, известный как родитель нового процесса, будет уведомляться, когда этот дочерний процесс будет завершен.

Когда процесс "умирает", его код возврата сохраняется до тех пор, пока родительский процесс не запросит его. Состояние завершения сохраняется в таблице процессов ядра, что заставляет ядро сохранять единицу процесса активной до тех пор, пока оно не сможет безопасно отбросить это состояние завершения. Процессы, которые завершились, но сберегаются для предохранения их состояния завершения, называются зомби. Как только состояние завершения такого зомби получено, он удаляется из таблицы процессов системы.

Если родитель процесса завершается (делая дочерний процесс висячим), такой процесс становится дочерним для начального процесса (init). Начальный процесс — это первый процесс, который запускается при загрузке машины и которому присваивается значение pid, равное 1. Одной из основных задач начального процесса является сбор кодов завершения процессов, чьи родители исчезли, позволяя ядру удалять такие дочерние процессы из таблицы процессов системы. Процессы могут получать свой pid и pid родителя с помощью функций getpid() и getppid().

10.2.2. Сертификаты

В Linux используются традиционные механизмы обеспечения безопасности Unix для пользователей и групп. Идентификаторы пользователя (uid) и группы (gid) — это целые числа[16], которые отображаются на символические имена пользователей и групп в файлах /etc/passwd и /etc/group, соответственно (более подробную информацию о базах данных пользователей и групп можно получить в главе 28). Однако ядро ничего не знает об именах — оно имеет дело только с целочисленными представлениями. Идентификатор uid, равный 0, зарезервирован за системным администратором, обычно имеющим имя root. Все обычные проверки безопасности отключаются для процессов, запущенных от имени root (то есть с uid, равным 0), что дает администратору полный контроль над системой.

В большинстве случаев процесс имеет единственный uid и единственный gid, ассоциированный с ним. Это идентификаторы, которые используются для большинства целей обеспечения безопасности (как, например, назначение прав владения вновь созданным файлам). Системные вызовы, которые могут модифицировать принадлежность процессов, обсуждаются далее в настоящей главе.

Со времен разработки Unix ограничение процессов принадлежностью к одной группе создало новые трудности. Пользователи, работающие со многими проектами, должны явно переключать свой gid, когда им нужен доступ к файлам, доступ к которым ограничен определенной группой пользователей.