SOP lab nr 3

From Studia Informatyczne

Spis treści

Procesy w systemie operacyjnym

Czas realizacji zajęć: 45 min.

Zakres materiału, jaki zostanie zrealizowany podczas zajęć: Pojęcie procesu, procesy w systemie, usuwanie procesów, priorytety procesów, zarządzanie procesami, status zakończenia procesu, uruchamianie procesów w tle

Pojęcie procesu

Każdy uruchomiony w systemie Unix program nosi nazwę procesu. Na proces składają się następujące elementy:

  • Kod binarny procesu załadowany z pliku.
  • Dane programu: struktury danych zadeklarowane w programie oraz pamięć dynamicznie przydzielona do procesu w trakcie jego działania.
  • Dane systemowe: informacja o procesie utrzymywana przez system.

Dodatkowo, podczas tworzenia procesu system inicjalizuje systemowe struktury danych opisujące proces, które następnie są aktualizowane podczas wykonania tego procesu. Do danych systemowych należą:

  • Identyfikator procesu (PID) - unikalna liczba całkowita jednoznacznie identyfikująca proces.
  • Identyfikator procesu macierzystego (PPID) - wartość PID procesu, który stworzył dany proces.
  • Środowisko procesu - zbiór zmiennych środowiskowych. Każdy proces ma swoje, niezależne od innych procesów środowisko wykonania, które początkowo jest kopiowane z procesu-rodzica a następnie jest modyfikowane niezależnie od innych procesów.
  • Standardowe strumienie danych.

Oprócz procesów, w systemie Unix, jak w większości nowoczesnych systemów, wyróżnia się wątki (ang. thread), będące najmniejszymi aktywnymi elementami systemu. Wątek jest rodzajem procesu, który dzieli przestrzeń adresową z innym procesem - każdemu wątkowi jest więc przydzielony niezależny identyfikator.

Procesy w systemie

Listę procesów dla aktualnej powłoki otrzymamy wywołując polecenie ps (ang. processes).

%ps
PID             TTY             TIME		 CMD
14285           pts/0           0:00            -csh
14286           pts/0           0:00		 ps
^^^^^^          ^^^^^^          ^^^^^           ^^^^^
numer procesu   terminal        czas aktywności nazwa

Pełne informacje o procesach aktualnej powłoki podaje polecenie ps -f (ang. full)'

%ps -f
USER            PID             PPID  C           STIME              TTY             TIME           CMD
Piotr           14285           14267 0           14:44:00           pts/0           0:00           -csh
Piotr           14286           14285 7           14:44:27           pts/0           0:00           ps
^^^^^^          ^^^^^^          ^^^^^^^^          ^^^^^^^^^          ^^^^^^          ^^^^^          ^^^^^
nazwa           numer           numer             czas               terminal        czas           nazwa procesu
właściciela     procesu         procesu           uruchamiania
                                nadrzędnego

Pełne informacje o wszystkich procesach uzyskamy łącząc opcję -f z -e (ang. every process). Poniżej podano inne przydatne przełączniki polecenia ps**:** -a (ang. all) wyświetla listę wszystkich procesów (także tych należących do innych użytkowników) -l (ang. long) pozwala wyświetlić dodatkowe informacje o każdym procesie -x (ang. long) dołącza do listy informacje o procesach nie dołączonych do terminali (procesy demony) -u powoduje dodanie nazwy użytkownika na początku listy -w powoduje rozszerzenie wyświetlanej listy. Użycie przełącznika -l pozwala na wyświetlenie większej liczby szczegółów dotyczących procesów. W rezultacie wyświetlane są dodatkowe kolumny zawierające następujące informacje: S- status procesu ( S - proces jest uśpiony; R<tt> - proces jest aktualnie wykonywany) <tt>UID - indentyfikator właściciela procesu PPID- identyfikator procesu macierzystego PRI i NI - opisują priorytety procesów WCHAN - pozwala sprawdzić jaką funkcję systemową jądra wywołał proces

Wiele z procesów uruchamianych jest przy starcie systemu, pozostałe są uaktywniane przez użytkowników w momencie zlecenia wywołania programów. Dowolny proces może uruchomić kolejny proces potomny i stać się macierzystym (nadrzędnym) wobec tego procesu potomnego. W momencie zarejestrowania się użytkownika w systemie uruchomiony zostaje jego pierwszy proces, czyli powłoka interpretująca polecenia użytkownika.

Wszystkie procesy pracujące w systemie tworzą hierarchiczną strukturę, na szczycie której stoi proces init, będący rodzicem wszystkich procesów. Proces init ma zawsze wartość PID równą 1. Hierarchię procesów można obserwować korzystając z programu pstree. Istnieje także interaktywna wersja komendy ps - program top. Top oprócz wartości zwracanych przez polecenie ps wyświetla też inne informacje: aktualną liczbę użytkowników w systemie (linia pierwsza), liczbę procesów (linia druga), obciążenie procesora (linia trzecia) i informację nt. dostępnej pamięci w systemie (linie czwarta i piąta).

Innym programem służącym do obserwowania listy procesów jest program ksysguard (dedykowany dla środowiska KDE), lub gtop (dla środowiska GNOM).

Usuwanie procesów

Dowolny proces może zostać usunięty z systemu przez jego właściciela. Służy do tego polecenie kill, wysyłające do procesu o podanym identyfikatorze sygnał przerwania pracy:

kill [ -nazwa_lub_numer_sygnału ] identyfikator_procesu

Domyślnie, jeśli nie podano numeru sygnału, wysłany zostanie sygnał TERM, powodujący zatrzymanie procesu. Aktualnie uruchomiony proces można również przerwać naciskając kombinację Ctrl-C, co również powoduje wysłanie sygnału TERM. Gdy wysłanie sygnału TERM jest niewystarczające do zatrzymania procesu, należy wtedy wysłać sygnał KILL, który powoduje bezwarunkowe przerwanie procesu.

kill -KILL identyfikator_procesu

Sygnały mają przypisane numeryczne identyfikatory. Identyfikator sygnału TERM wynosi 2, natomiast sygnału KILL jest równy 9. W poleceniu kill można korzystać także z wartości numerycznych synałów:

kill -9 identyfikator_procesu

Zatrzymanie wszystkich procesów o danej nazwie powoduje polecenie killall. Przykładowo:

killall find

powoduje zatrzymanie wszystkich programów find.

Szczegółową listę sygnałów wraz z ich wartościami numerycznymi zawiera strona pomocy systemowej signal(7).

Priorytety procesów

Każdy proces wykonywany w systemie posiada przypisany mu priorytet, który można odczytać w wyniku wywołania polecenia ps z przełącznikiem -l.

Kolumna PRI wyświetlana w wyniku tego polecenia zawiera informacje o wartości priorytetu określonego procesu, nadanej mu poprzez system operacyjny. Wartość ta nie może być bezpośrednio zmieniana przez użytkownika. Jednakże użytkownik może wpłynąć na wartość PRI, zmnieniając tzw. liczbę nice, której aktualna wartość znajduje się w kolumnie NI. Wartość liczby nice należy do przedziału: od -20 do 19 i początkowo przyjmuje wartość 0. Im mniejsza wartość liczby nice tym wyższy priorytet procesu. Dla działającego procesu liczbę nice można zmienić poleceniem:

renice zmiana_priorytetu [ -p ] pid [ -u użytkownik ]

Na przykład:

renice +10 3442

zwiększa liczbe nice o 10, co powoduje zmniejszenie priorytetu tego zadania. Zwykli użytkownicy mogą jedynie zwiększać liczbę nice, czyli obniżać priorytet wykonania swoich zadań, natomiast użytkownik root jest uprawniony do wykonywania wszelkich zmian na wartości nice.

Możliwe jest uruchamianie nowych procesów z ustawionym już nowym priorytetem:

nice -n zmiana_priorytetu polecenie

Zarządzanie procesami

Procesy uruchamiane z klawiatury terminala są nazywane pierwszoplanowymi. Powłoka czeka na zakończenie wykonywania procesu i dopiero wtedy jest gotowa na przyjęcie kolejnych poleceń od użytkownika.

Proces można jednak uruchomić w tle. Wówczas powłoka utworzy nowy proces potomny, będący powłoką, której nakaże wykonanie zadanego polecenia, a sama powróci do stanu gotowości na kolejne polecenia. W rezultacie proces, który został uruchomiany w tle zaczyna pracować równolegle z interpreterem poleceń.

Warto zaznaczyć, że praca w tle ma sens jedynie w przypadku programów nieinteraktywnych, czyli takich, które do swojej pracy nie potrzebują interakcji za strony użytkownika. W przypadku uruchamiania programu w tle interpreter poleceń natychmiast przechodzi w stan oczekiwania na następne zlecenie, czyli rozpoczyna czytanie danych z klawiatury. Podobnie, programy działające w tle nie powinny wypisywać informacji na ekranie, bo będą one wypisywane asynchronicznie w stosunku do aktualnie wykonywanych operacji. W tym przypadku, rozwiązaniem tego problemu może być przekierowanie wyników działania takiego programu do pliku i jego późniejsza analiza.

Polecenie jest uruchomione w tle, jeśli po ostatnim parametrze natępuje znak &:

polecenie &

Aktualnie uruchomiony proces można także zatrzymać wciskając kombinację Ctrl - Z. Spowoduje to wstrzymanie tego procesu. Wstrzymany proces istnieje w systemie, ale nie jest dla niego przydzielany procesor. Zastopowany proces można wprowadzić do wykonania (kontynuacji) w tle poleceniem bg (ang. background), a nawet przywrócić po dowolnym czasie z powrotem na pierwszy plan poleceniem fg (ang. foreground), pod warunkiem jednak, że pomiędzy tymi poleceniami nie uruchomimy w tle innego procesu. Listę aktualnie kontrolowanych zadań można wyświetlić poleceniem jobs.

Jeśli wstrzymano więcej niż jedno zadanie, niezbędna będzie ich identyfikacja. Interpreter poleceń wewnętrznie przydziela swoje identyfikatory i za pomocą polecenia jobs można wyświetlić ich wartości. Do konkretnego procesu można odwołując się korzystając z identyfikatora poprzedzonego znakiem %.

%jobs
[1]- 	Stopped 	vim praca.html
[2]+	Stopped	find /usr -name signal.h
%fg 1

Status zakończenia procesu

Każdy proces w systemie Unix po zakończeniu swojej pracy przekazuje do systemu informację o tym jak zakończyło się przetwarzanie, określaną statusem zakończenia procesu. Status zakończenia jest liczbą jednobajtową, przy czym przyjęto, że wartość 0 oznacza poprawne zakończenie przetwarzania. Wartości różne od 0 oznaczają błąd. Status zakończenia ostatnio wykonywanego programu można uzyskać w następujący sposób:

%echo $?

Status zakończenia procesu można wykorzystać do warunkowego uruchomiania poleceń. Fakt, że polecenie_2 można wykonać tylko gdy polecenie_1 zakończyło się sukcesem zapisujemy następująco:

%polecenie_1 && polecenie_2 

Natomiast gdy polecenie_2 może być wykonane tylko wtedy gdy polecenie polecenie_1 zakończyło się niepowodzeniem:

%polecenie_1 || polecenie_2

Ponadto w systemie UNIX możemy jednym poleceniem uruchomić kilka procesów, oddzielając poszczególne z nich średnikiem:

%polecenie_1; polecenie_2; polecenie_3

Taką sekwencję można również wprowadzić w tło:

%(polecenie_1; polecenie_2; polecenie_3) &

Ćwiczenia

  1. Wyświetl listę własnych procesów komenda ps. Porównaj wyniki z wynikami poleceń: ps ­x i ps ­ax. Zbadaj działanie przełączników ­l i i ­u. Zaloguj sie do systemu kilkukrotnie poprzez wirtualne konsole lub otwierając nowe okno w środowisku graficznym. Sprawdź poleceniem tty(1) nazwę terminala, na którym pracujesz.
  2. Znajdź proces macierzysty dla procesu ps. Odszukaj przodka wszystkich procesów (PID=1). Wyświetl hierarchię procesów poleceniem pstree(1). Obejrzyj listę procesów poleceniem top(1) sortując ją wg stopnia zajętości procesora i ilości zajętej pamięci. W środowisku graficznym KDE uruchom program ksysguard (dostępny po wciśnięciu Ctrl-Esc).
  3. Sprawdź identyfikator procesu init. Za pomocą polecenia pgrep(1) wyświetl identyfikatory wszystkich swoich interpreterów poleceń.
  4. Zapoznaj się z listą sygnałów na stronie pomocy systemowej signal(7). Uruchom sesję edytora vi i wysyłaj komendą kill kolejne sygnały do tego procesu. Użyj sygnałów: HUP, INT, TERM, QUIT, KILL, STOP, CONT.
  5. Zbadaj działanie poleceń killall(1) i pkill(1).
  6. Uruchom proces sleep w tle. Przełącz go do pracy w trybie pierwszoplanowym. Wstrzymaj sesję edytora vi kombinacja Ctrl-Z, uruchom nową sesję i wstrzymaj ją również. Wyświetl aktywne sesje komendą jobs. Wznów pracę do trybu pierwszoplanowego komendą fg, następnie znów przełącz go do pracy w tle komenda bg.

Zadania do samodzielnego wykonania

  1. Sprawdź, jakie polecenia uruchomił dowolny inny użytkownik, pracujący w tej chwili w systemie.
  2. Uruchom w tle wyszukiwanie w całym systemie plików o nazwach pasujących do wzorca "*user*", błędy przekieruj na urządzenie puste, wyniki do pliku wyniki. Uruchamiając, obniż priorytet tego polecenia do najniższego.

Literatura

[Sob01] Sobaniec C., Linux. Podręcznik Użytkownika., Wydawnictwo NAKOM, 2001, ISBN 83-86969-53-9.