Глава 6. МНОГОЗАДАЧНОСТЬ

Эта глава открывает большую и очень важную для Linux-программиста тему многозадачности. Описать все сразу не получится, поэтому мы будем неоднократно возвращаться к многозадачности в последующих главах книги. Пристегните ремни покрепче!

Наберите в своей оболочке следующую команду: $ ps -e

На экран будут выведен список всех работающих в системе процессов. Если хотите посчитать количество процессов, наберите что-нибудь, набодобие этого: $ ps -e --no-headers | nl | tail -n 1 74 4650 pts/0 00:00:00 tail $

Первое число - это количество работающих в системе процессов. Пользователи KDE могут воспользоваться программой kpm, а пользователи Gnome - программой gnome-system-monitor для получения информации о процессах. На то он и Linux, чтобы позволять пользователю делать одно и то же разными способами.

Возникает вопрос: "Что такое процесс?". Процессы в Linux, как и файлы, являются аксиоматическими понятиями. Иногда процесс отождествляют с запущенной программой, однако это не всегда так. Будем считать, что процесс - это рабочая единица системы, которая выполняет что-то. Многозадачность - это возможность одновременного сосуществования нескольких процессов в одной системе.

Linux - многозадачная операционная система. Это означает что процессы в ней работают одновременно. Естественно, это условная формулировка. Ядро Linux постоянно переключает процессы, то есть время от времени дает каждому из них сколько-нибудь процессорного времени. Переключение происходит довольно быстро, поэтому нам кажется, что процессы работают одновременно.

Одни процессы могут порождать другие процессы, образовывая древовидную структуру. Порождающие процессы называются родителями или родительскими процессами, а порожденные - потомками или дочерними процессами. На вершине этого "дерева" находится процесс init, который порождается автоматически ядром в процесссе загрузки системы.

К каждому процессу в системе привязана пара целых неотрицательных чисел: идентификатор процесса PID (Process IDentifier) и идентификатор родительского процесса PPID (Parent Process IDentifier). Для каждого процесса PID является уникальным (в конкретный момент времени), а PPID равен идентификатору процесса-родителя. Если ввести в оболочку команду ps -ef, то на экран будет выведен список процессов со значениями их PID и PPID (вторая и третья колонки соотв.). Вот, например, что творится у меня в системе:

Надо отметить, что процесс init всегда имеет идентификатор 1 и PPID равный 0. Хотя в реальности процесса с идентификатором 0 не существует. Дерево процессов можно также пресставить в наглядном виде при помощи опции --forest программы ps:

Если вызвать программу ps без аргументов, то будет выведен список процессов, принадлежащих текущей группе, то есть работающих под текущим терминалом. О том, что такое терминалы и группы процессов, будет рассказано в последующих главах.

Процесс может узнать свой идентификатор (PID), а также родительский идентификатор (PPID) при помощи системных вызовов getpid() и getppid().

Системные вызовы getpid() и getppid() имеют следующие прототипы: pid_t getpid (void); pid_t getppid (void);

Для использования getpid() и getppid() в программу должны быть включены директивой #include заголовочные файлы unistd.h и sys/types.h (для типа pid_t). Вызов getpid() возвращает идентификатор текущего процесса (PID), а getppid() возвращает идентификатор родителя (PPID). pid_t - это целый тип, размерность которого зависит от конкретной системы. Значениями этого типа можно оперировать как обычными целыми числами типа int.

Рассмотрим теперь простую программу, которая выводит на экран PID и PPID, а затем "замирает" до тех пор, пока пользователь не нажмет <Enter>. /* getpid.c */ #include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> int main (void) { pid_t pid, ppid; pid = getpid (); ppid = getppid (); printf ("PID: %d\n", pid); printf ("PPID: %d\n", ppid); fprintf (stderr, "Press <Enter> to exit..."); getchar (); return 0; }

Проверим теперь, как работает эта программа. Для этого откомпилируем и запустим ее: $ gcc -o getpid getpid.c $ ./getpid PID: 27784 PPID: 6814 Press <Enter> to exit...

Теперь, не нажимая <Enter>, откроем другое терминальное окно и проверим, правильность работы системных вызовов getpid() и getppid(): $ ps -ef | grep getpid nn 27784 6814 0 01:05 pts/0 00:00:00 ./getpid nn 28249 28212 0 01:07 pts/1 00:00:00 grep getpid

Как уже говорилось ранее, процесс в Linux - это нечто, выполняющее программный код. Этот код называют образом процесса (process image). Рассмотрим простой пример, когда вы находитесь в оболочке bash и выполняете команду ls. В этом случае происходит следующее. Образ программы-оболочки bash выполняется в процессе #1. Затем вы вводите команду ls, и оболочка определяет, что нужно запустить внешнюю программу (/bin/ls). Тогда процесс #1 создает свою почти точную копию, процесс #2, который выполняет тот же самый программный код. После этого процесс #2 заменяет свой текущий образ (оболочку) другим образом (программой /bin/ls). В итоге получаем отдельный процесс, выполняющий отдельную программу.

"К чему такая путаница?" - спросите вы. Зачем сначала "клонировать" процесс, а затем заменять в нем образ? Не проще ли все делать одной-единственной операцией? Ответы на подобные вопросы дать тяжело, но, как правило, с опытом прихоидит понимание того, что подобная схема является одной из граней красоты Unix-систем.

Попробуем все-таки разобраться, почему в Unix-системах порождение процесса отделено от запуска программы. Для этого выясним, что же происходит с данными при "клонировании" процесса. Итак, каждый процесс хранит в своей памяти различные данные (переменные, файловые дескрипторы и проч.). При порождении нового процесса, потомок получает точную копию данных родителя. Но как только новый процесс создан, родитель и потомок уже распоряжаются своими копиями по своему усмотрению. Это позволяет распараллелить программу, заставив ее выполнять какой-нибудь трудоемкий алгоритм в отдельном процессе.

Может быть кто-то из вас слышал про то, что в Linux есть потоки, которые позволяют в одной программе реализовывать параллельное выполнение нескольких функций. Опять же возникает вопрос: "Если есть потоки, зачем вся эта головомойка с клонированиями и заменой образов?". А дело в том, что потоки работают с общими данными и выполняются в одной программе. Если в потоке произошло что-то страшное, то это, как правило, отражается на всей программе в целом. Хотя технически потоки реализованы в Linux на базе процессов, но процесс все же является более независимой единицей. Крах дочернего процесса никак не отражается на работе родителя, если сам родитель этого не пожелает.

По правде сказать, программисты редко прибегают к методике распараллеливания одной программы при помощи процессов. Но суть в том, что в Unix-системах программист обладает полной свободой выбора стратегии многозадачности. И это здорово!

Разберемся теперь с тем, как на практике происходит "клонирование" процессов. Для этого используется простой системный вызов fork(), прототип которого находится в файле unistd.h:

Если fork() завершается с ошибкой, то возвращается -1. Это редкий случай, связанный с нехваткой памяти или превышением лимита на количество процессов. Но если разделение произошло, то программе нужно позаботиться об идентификации своего "Я", то есть определении того, где родитель, а где потомок. Это делается очень просто: в родительский процесс fork() возвращает идентификатор потомка, а потомок получает 0. Следующий пример демонстрирует то, как это происходит.

Проверяем, что получилось:

Обратите внимание, что поскольку после вызова fork() программу выполняли уже два независимых процесса, то сообщение родителя вполне могло бы появиться первым.

Итак, теперь мы умеем порождать процессы. Научимся теперь заменять образ текущего процесса другой программой. Для этих целей используется системный вызов execve(), который объявлен в заголовочном файле unistd.h вот так:

Все очень просто: системный вызов execve() заменяет текущий образ процесса программой из файла с именем path, набором аргументов argv и окружением envp. Здесь следует только учитывать, что path - это не просто имя программы, а путь к ней. Иными словами, чтобы запустить ls, нужно в первом аргументе указать "/bin/ls".

Массивы строк argv и envp обязательно должны заканчиваться элементом NULL. Кроме того, следует помнить, что первый элемент массива argv (argv[0]) - это имя программы или что-либо иное. Непосредственные аргументы программы отсчитываются от элемента с номером 1.

В случае успешного завершения execve() ничего не возвращает, поскольку новая программа получает полное и безвозвратное управление текущим процессом. Если произошла ошибка, то по традиции возвращается -1.

Рассмотрим теперь пример программы, которая заменяет свой образ другой программой.

Итак, данная программа выводит свой PID и передает безвозвратное управление программе cat без аргументов и без окружения. Проверяем:

Программа вывела идентификатор процесса и замерла в смиренном ожидании. Откроем теперь другое терминальное окно и проверим, что же творится с нашим процессом:

Итак, мы убедились, что теперь процесс 30150 выполняет программа cat. Теперь можно вернуться в исходное окно и нажатием Ctrl+D завершить работу cat.

И, наконец, следующий пример демонстрирует запуск программы в отдельном процессе.

Проверяем:

Обратите внимание, что поскольку execve() не может возвращать ничего кроме -1, то для обработки возможной ошибки вовсе не обязательно создавать ветвление. Иными словами, если вызов execve() возвратил что-то, то это однозначно ошибка.