Programowanie współbieżne i rozproszone/PWR Ćwiczenia 2

Tematyka laboratorium

1. Przypomnienie zasad tworzenia plików Makefile
2. Kompilacja programów w środowisku Unix
3. Procesy w systemie Unix: tworzenie, kończenie,

Literatura uzupełniająca

1. M. K. Johnson, E. W. Troan, Oprogramowanie użytkowe w systemie Linux, rozdz. 9.2.1 i 9.4.1-9.4.5
2. W. R. Stevens, Programowanie zastowań sieciowych w systemie UNI, rozdz. 2.5.1-2.5.4
3. M. J. Bach, Budowa systemu operacyjnego UNIX, rozdz. 7.1, 7.3-7.5
4. man do poszczególnych funkcji systemowych

Scenariusz zajęć

Identyfikator procesu

Każdy proces w systemie ma jednoznaczny identyfikator nazywany potocznie PID (od angielskiego: Process ID). Identyfikatory aktualnie wykonujących się procesów możesz poznać wykonując w Linuksie polecenie ps.

Ćwiczenie

Wykonaj polecenie ps. Zobaczysz wszystkie uruchomione przez Ciebie procesy w tej sesji. Znajdzie się wsród nich proces ps i bash (lub inny stosowany przez Ciebie interpreter poleceń), który analizuje i wykonuje Twoje polecenia. Pierwsza kolumna to PID procesu, a ostatnia to polecenie, które dany proces wykonuje. Więcej informacji na temat polecenia ps uzyskasz wywołując man ps.

Z poziomu programisty, proces może poznać swój PID wywołując funkcję systemową:

pid_t getpid();

Wartości typu pid_t reprezentują PIDy procesów. Najczęściej jest to długa liczba całkowita (long int), ale w zależności od wariantu systemu operacyjnego definicja ta może być inna. Dlatego lepiej posługiwać się nazwą pid_t.

Tworzenie nowego procesu

W Linuksie, tak jak we wszystkich systemach uniksowych, istnieje hierarchia procesów. Każdy proces poza pierwszym procesem w systemie (procesem init o PIDzie 1) jest tworzony przez inny proces. Nowy proces nazywamy procesem potomnym, a proces który go stworzył nosi nazwę procesu macierzystego.

Do tworzenia procesów służy funkcja systemowa:

pid_t fork();

Powrót z wywołania tej funkcji następuje dwa razy:

• w procesie macierzystym, w którym wartością przekazywaną przez funkcję fork jest PID nowo utworzonego potomka,
• w procesie potomnym, w którym funkcja przekazuje w wyniku 0.

Jak dokładnie działa funkcja systemowa fork()? Proces w systemie Unix jest wygodnie wyobrażać sobie jako obiekt składający się z trzech części:

Proces Uniksowy. Podział na logiczne części.

Wykonywany kod

Dane: w szczególności wszystkie zmienne procesu

Dane systemowe: PID, PID ojca otwarte pliki itd

Funkcja systemowa fork tworzy nowy proces i kopiuje do niego wszystkie powyższe elementy, zmieniając jedynie te elementy, który muszą zostać zmienione (na przykład PID). Zatem nowy proces potomny:

• wykonuje taki sam kod jak proces macierzysty;
• dziedziczy po procesie macierzystym całą historię wykonania, bo stos wykonania jest także kopiowany; oznacza to w szczególności, że

wykonanie w procesie potomnym zaczyna się od następnej instrukcji po fork().

• ma te same zmienne co proces macierzysty i do tego zmienne te mają te same wartości co w procesie macierzystym. Jednak przestrzenie adresowe tych procesów są rozłączne: każdy ma swoją kopię zmiennych. Oznacza to m.in. to, że zmiana wartości zmiennej w procesie potomnym nie jest odzwierciedlana w procesie macierzystym i na odwrót.
• ma te same uprawnienia, te same otwarte pliki itd. (tym zajmiemy się w kolejnym laboratorium)

A oto przykład ilustrujący wykorzystanie funkcji fork() do tworzenia nowego procesu. Przykład ten możesz znaleźć w plikach przygotowanych do zajęć pod nazwą proc_fork.c.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include "err.h"
int main ()
{
1:  pid_t pid;
2:  /* wypisuje identyfikator procesu */
    printf("Moj PID = %d\n", getpid());
    /* tworzy nowy proces */
3:  switch (pid = fork()) {
4:    case -1: /* błąd */
        syserr("Error in fork\n");
5:    case 0: /* proces potomny */
        printf("Jestem procesem potomnym. Mój PID = %d\n", getpid());
        printf("Jestem procesem potomnym. Wartość przekazana przez fork() = %d\n", pid);
        return 0;
6:    default: /* proces macierzysty */
        printf("Jestem procesem macierzystym. Mój PID = %d\n", getpid());
        printf("Jestem procesem macierzystym. Wartość przekazana przez fork() = %d\n", pid);
7:      /* czeka na zakończenie procesu potomnego */
        if(wait(0) == -1)
          syserr("Error in wait\n");
        return 0;
    } /*switch*/
}

Przeanalizujmy ten program.

1. Część z dyrektywami #include. Tutaj umieszczamy niezbędne pliki nagłówkowe:
   • standardową bibliotekę wejścia/wyjścia stdio.h
   • plik nagłówkowy unistd.h zawierający deklaracje standardowych funkcji uniksowych (fork(), write() itd.); Należy go dołączyć do programu, w przeciwnym razie kompilator generuje ostrzeżenia takie jak implicit declaration of function fork
   • plik nagłówkowy z deklaracją funkcji wait() z sys/wait.h
   • plik nagłówkowy z deklaracją funkcji syserr do obsługi błędów. Więcej na temat błędów za chwilę.
2. Kod programu umieszczamy jak zwykle w funkcji main. Wewnątrz tej funkcji w wierszu 1 znajduje się deklaracja zmiennej pid, na której będziemy pamiętać PID procesu.
3. W wierszu 2 program wypisuje swój PID pobrany za pomocą funkcji systemowej getpid.
4. W wierszu 3 następuje wywołanie funkcji systemowej fork i dochodzi do "rozwidlenia" procesu. Tworzy się nowy proces i w chwili powrotu z funkcji systemowej mamy już dwa procesy. Oba mają w tym momencie jeszcze tę samą wartość zmiennej pid, ale natychmiast po powrocie zmienna ta otrzymuje wartość przekazaną przez funkcję systemową fork(). Będzie to zatem 0 w procesie potomnym oraz wartość większa od 0 w procesie macierzystym.
5. Wiersz 4 zawiera bardzo ważny element programu --- kontrolę błędów. System operacyjny może nie utworzyć nowego procesu z wielu powodów (np. brak pamięci, brak miejsca w tablicy procesów, przekroczenie limitu procesów na użytkownika itp). Każda funkcja systemowa przekazuje swój kod zakończenia. Jest to wartość >= 0, jeżeli funkcja zakończyła się pomyślnie lub liczba ujemna oznaczająca kod błędu w przeciwnym razie. Ponadto jeżeli wystąpił błąd, to kod błędu jest przypisywany na globalną zmienną errno. Dzięki kodowi błędu uzyskujemy więcej informacji o powodach wystąpienia danego błędu. Przykład wykorzystania zmiennej errno można znaleźć w funkcji syserr znajdującej się w pliku err.c, która korzysta z globalnej tablicy sys_errlist zawierającej opisy wszystkich kodów błędów.

Uwaga! Sprawdzanie poprawności wykonania wszystkich funkcji systemowych jest absolutnym obowiązkiem programisty!