Архитектура операционной системы UNIX - Морис Бах

#include ‹signal.h›

main(argc, argv)

int argc;

char *argv[];

{

 int i, ret_val, ret_code;

 if (argc ›= 1) signal(SIGCLD, SIG_IGN); /* игнорировать гибель потомков */

 for (i = 0; i ‹ 15; i++) if (fork() == 0) {

   /* процесс-потомок */

   printf("процесс-потомок %xn", getpid());

   exit(i);

  }

  ret_val = wait(&ret_code);

  printf("wait ret_val %x ret_code %xn", ret_val, ret_code);

}

Рисунок 7.17. Пример использования функции wait и игнорирования сигнала «гибель потомка»

В ранних версиях системы UNIX функции exit и wait не использовали и не рассматривали сигнал типа «гибель потомка». Вместо посылки сигнала функция exit возобновляла выполнение родительского процесса. Если родительский процесс при выполнении функции wait приостановился, он возобновляется, находит потомка, прекратившего существование, и возвращает управление. В противном случае возобновления не происходит; процесс-родитель обнаружит «погибшего» потомка при следующем обращении к функции wait. Точно так же и процесс начальной загрузки (init) может приостановиться, используя функцию wait, и завершающиеся по exit процессы будут возобновлять его, если он имеет усыновленных потомков, прекращающих существование.

В такой реализации функций exit и wait имеется одна нерешенная проблема, связанная с тем, что процессы, прекратившие существование, нельзя убирать из системы до тех пор, пока их родитель не исполнит функцию wait. Если процесс создал множество потомков, но так и не исполнил функцию wait, может произойти переполнение таблицы процессов из-за наличия потомков, прекративших существование с помощью функции exit. В качестве примера рассмотрим текст программы планировщика процессов, приведенный на Рисунке 7.18. Процесс производит считывание данных из файла стандартного ввода до тех пор, пока не будет обнаружен конец файла, создавая при каждом исполнении функции read нового потомка. Однако, процесс-родитель не дожидается завершения каждого потомка, поскольку он стремится запускать процессы на выполнение как можно быстрее, тем более, что может пройти довольно много времени, прежде чем процесс-потомок завершит свое выполнение. Если, обратившись к функции signal, процесс распорядился игнорировать сигналы типа «гибель потомка», ядро будет очищать записи, соответствующие прекратившим существование процессам, автоматически. Иначе в конечном итоге из-за таких процессов может произойти переполнение таблицы.

#include ‹signal.h›

main(argc, argv) {

 char buf[256];

 if (argc != 1) signal(SIGCLD, SIG_IGN); /* игнорировать гибель потомков */

 while (read(0, buf, 256))

  if (fork() == 0) {

   /* здесь процесс-потомок обычно выполняет какие-то операции над буфером (buf) */

   exit(0);

 }

}

Рисунок 7.18. Пример указания причины появления сигнала «гибель потомков»

7.5 ВЫЗОВ ДРУГИХ ПРОГРАММ

Системная функция exec дает возможность процессу запускать другую программу, при этом соответствующий этой программе исполняемый файл будет располагаться в пространстве памяти процесса. Содержимое пользовательского контекста после вызова функции становится недоступным, за исключением передаваемых функции параметров, которые переписываются ядром из старого адресного пространства в новое. Синтаксис вызова функции:

execve(filename, argv, envp)

где filename — имя исполняемого файла, argv — указатель на массив параметров, которые передаются вызываемой программе, а envp — указатель на массив параметров, составляющих среду выполнения вызываемой программы. Вызов системной функции exec осуществляют несколько библиотечных функций, таких как execl, execv, execle и т. д. В том случае, когда программа использует параметры командной строки

main(argc, argv),

массив argv является копией одноименного параметра, передаваемого функции exec. Символьные строки, описывающие среду выполнения вызываемой программы, имеют вид «имя=значение» и содержат полезную для программ информацию, такую как начальный каталог пользователя и путь поиска исполняемых программ. Процессы могут обращаться к параметрам описания среды выполнения, используя глобальную переменную environ, которую заводит начальная процедура Си-интерпретатора.

алгоритм exec

входная информация:

 (1) имя файла

 (2) список параметров

 (3) список переменных среды

выходная информация: отсутствует

{

 получить индекс файла (алгоритм namei);

 проверить, является ли файл исполнимым и имеет ли пользователь право на его исполнение;

 прочитать информацию из заголовков файла и проверить, является ли он загрузочным модулем;

 скопировать параметры, переданные функции, из старого адресного пространства в системное пространство;

 for (каждой области, присоединенной к процессу)

  отсоединить все старые области (алгоритм detachreg);

 for (каждой области, определенной в загрузочном модуле) {

  выделить новые области (алгоритм allocreg);

  присоединить области (алгоритм attachreg);

  загрузить область в память по готовности (алгоритм loadreg);

 }

 скопировать параметры, переданные функции, в новую область стека задачи;

 специальная обработка для setuid-программ, трассировка;

 проинициализировать область сохранения регистров задачи (в рамках подготовки к возвращению в режим задачи);

 освободить индекс файла (алгоритм iput);

}

Рисунок 7.19. Алгоритм функции exec

На Рисунке 7.19 представлен алгоритм выполнения системной функции exec. Сначала функция обращается к файлу по алгоритму namei, проверяя, является ли файл исполнимым и отличным от каталога, а также проверяя наличие у пользователя права исполнять программу. Затем ядро, считывая заголовок файла, определяет размещение информации в файле (формат файла).

На Рисунке 7.20 изображен логический формат исполняемого файла в файловой системе, обычно генерируемый транслятором или загрузчиком. Он разбивается на четыре части:

1. Главный заголовок, содержащий информацию о том, на сколько разделов делится файл, а также содержащий начальный адрес исполнения процесса и некоторое «магическое число», описывающее тип исполняемого файла.

2. Заголовки разделов, содержащие информацию, описывающую каждый раздел в файле: его размер, виртуальные адреса, в которых он располагается, и др.

3. Разделы, содержащие собственно «данные» файла (например, текстовые), которые загружаются в адресное пространство процесса.

4. Разделы, содержащие смешанную информацию, такую как таблицы идентификаторов и другие данные, используемые в процессе отладки.

Рисунок 7.20. Образ исполняемого файла

Указанные составляющие с развитием самой системы видоизменяются, однако во всех исполняемых файлах обязательно присутствует главный заголовок с полем типа файла.

Тип файла обозначается коротким целым числом (представляется в машине полусловом), которое идентифицирует файл как загрузочный модуль, давая тем самым ядру возможность отслеживать динамические характеристики его выполнения. Например, в машине PDP 11/70 определение типа файла как загрузочного модуля свидетельствует о том, что процесс, исполняющий файл, может использовать до 128 Кбайт памяти вместо 64 Кбайт[22], тем не менее в системах с замещением страниц тип файла все еще играет существенную роль, в чем нам предстоит убедиться во время знакомства с главой 9.

Вернемся к алгоритму. Мы остановились на том, что ядро обратилось к индексу файла и установило, что файл является исполнимым. Ядру следовало бы освободить память, занимаемую пользовательским контекстом процесса. Однако, поскольку в памяти, подлежащей освобождению, располагаются передаваемые новой программе параметры, ядро первым делом копирует их из адресного пространства в промежуточный буфер на время, пока не будут отведены области для нового пространства памяти.

Поскольку параметрами функции exec выступают пользовательские адреса массивов символьных строк, ядро по каждой строке сначала копирует в системную память адрес строки, а затем саму строку. Для хранения строки в разных версиях системы могут быть выбраны различные места. Чаще принято хранить строки в стеке ядра (локальная структура данных, принадлежащая программе ядра), на нераспределяемых участках памяти (таких как страницы), которые можно занимать только временно, а также во внешней памяти (на устройстве выгрузки).