Околения компьютеров
 Скачать 1.67 Mb.
|
|
Пример. #include { … /*тело программы*/ … execl(“/bin/ls”,”ls”,”-l”,(char*)0); /* или execlp(“ls”,”ls”, ”-l”,(char*)0);*/ printf(“это напечатается в случае неудачного обращения к предыдущей функции, к примеру, если не был найден файл ls \n”); … } В данном случае второй параметр – вектор из указателей на параметры строки, которые будут переданы в вызываемую программу. Как и ранее первый указатель – имя программы, последний – нулевой указатель. Эти вызовы удобны, когда заранее неизвестно число аргументов вызываемой программы. Чрезвычайно полезным является использование fork() совместно с системным вызовом exec(). Как отмечалось выше системный вызов exec() используется для запуска исполняемого файла в рамках существующего процесса.Ниже приведена общая схема использования связки fork() - exec(). Завершение процесса. Для завершения выполнения процесса предназначен системный вызов _exit() void _exit(int exitcode); Кроме обращения к вызову _exit(), другими причинами завершения процесса могут быть: - оператора return, входящего в состав функции main() - получение некоторых сигналов (об этом речь пойдет чуть ниже) В любом из этих случаев происходит следующее: - освобождаются сегмент кода и сегмент данных процесса - закрываются все открытые дескрипторы файлов - если у процесса имеются потомки, их предком назначается процесс с идентификатором 1 - освобождается большая часть контекста процесса, однако сохраняется запись в таблице процессов и та часть контекста, в которой хранится статус завершения процесса и статистика его выполнения - процессу-предку завершаемого процесса посылается сигнал SIGCHLD Состояние, в которое при этом переходит завершаемый процесс, в литературе часто называют состоянием “зомби”. Процесс-предок имеет возможность получить информацию о завершении своего потомка. Для этого служит системный вызов wait(): pid_t wait(int *status); При обращении к этому вызову выполнение родительского процесса приостанавливается до тех пор, пока один из его потомков не завершится либо не будет остановлен. Если у процесса имеется несколько потомков, процесс будет ожидать завершения любого из них (т.е., если процесс хочет получить информацию о завершении каждого из своих потомков, он должен несколько раз обратиться к вызову wait()). Возвращаемым значением wait() будет идентификатор завершенного процесса, а через параметр status будет возвращена информация о причине завершения процесса (путем вызова _exit() либо прерван сигналом) и коде возврата. Если процесс не интересуется это информацией, он может передать в качестве аргумента вызову wait() NULL-указатель. Если к моменту вызова wait() один из потомков данного процесса уже завершился, перейдя в состояние зомби, то выполнение родительского процесса не блокируется, и wait() сразу же возвращает информацию об этом завершенном процессе. Если же к моменту вызова wait() у процесса нет потомков, системный вызов сразу же вернет –1. Также возможен аналогичный возврат из этого вызова, если его выполнение будет прервано поступившим сигналом. Жизненный цикл процессов Готов к выполнению очередь готовых процессов планирование процессов Создан fork() Блокирован ожидает внешнего события внешнее событие Выполняется В режиме ядра В пользовательском режиме прерывание Зомби exit() wait() Рис. 3 Жизненный цикл процесса. Формирование процессов 0 и 1 Рассмотрим подробнее, что происходит в момент начальной загрузки OC UNIX. Начальная загрузка – это загрузка ядра системы в основную память и ее запуск. Нулевой блок каждой файловой системы предназначен для записи короткой программы, выполняющей начальную загрузку. Начальная загрузка выполняется в несколько этапов. 1.Аппаратный загрузчик читает нулевой блок системного устройства. 2.После чтения этой программы она выполняется, т.е. ищется и считывается в память файл /unix, расположенный в корневом каталоге и который содержит код ядра системы. 3.Запускается на исполнение этот файл. В самом начале ядром выполняются определенные действия по инициализации системы, а именно, устанавливаются системные часы (для генерации прерываний), формируется диспетчер памяти, формируются значения некоторых структур данных (наборы буферов блоков, буфера индексных дескрипторов) и ряд других. По окончании этих действий происходит инициализация процесса с номером "0". По понятным причинам для этого невозможно использовать методы порождения процессов, изложенные выше, т.е. с использованием функций fork() и exec(). При инициализации этого процесса резервируется память под его контекст и формируется нулевая запись в таблице процессов. Основными отличиями нулевого процесса являются следующие моменты 1.Данный процесс не имеет кодового сегмента, это просто структура данных, используемая ядром, и процессом его называют потому, что он каталогизирован в таблице процессов. 2. Он существует в течении всего времени работы системы (чисто системный процесс) и считается, что он активен, когда работает ядро ОС. Далее ядро копирует "0" процесс и создает "1" процесс. Алгоритм создания этого процесса напоминает стандартную процедуру, хотя и носит упрощенный характер. Сначала процесс "1" представляет собой полную копию процесса "0" , т.е. у него нет области кода. Далее происходит увеличение его размера и во вновь созданную кодовую область копируется программа, реализующая системный вызов exec() , необходимый для выполнения программы /etc/init. На этом завершается подготовка первых двух процессов. Первый из них представляет собой структуру данных, при помощи которой ядро организует мультипрограммный режим и управление процессами. Второй – это уже подобие реального процесса. Далее ОС переходит к выполнению программ диспетчера. Диспетчер наделен обычными функциями и на первом этапе у него нет выбора – он запускает exec() , который заменит команды процесса "1" кодом, содержащимся в файле /etc/init. Получившийся процесс, называемый init, призван настраивать структуры процессов системы. Далее он подключает интерпретатор команд к системной консоли. Так возникает однопользовательский режим, так как консоль регистрируется с корневыми привилегиями и доступ по каким-либо другим линиям связи невозможен. При выходе из однопользовательского режима init создает многопользовательскую среду. С этой целью init организует процесс getty для каждого активного канала связи, т.е. каждого терминала Это программа ожидает входа кого-либо по каналу связи. Далее, используя системный вызов exec(), getty передает управление программе login, проверяющей пароль. Во время работы ОС процесс init ожидает завершения одного из порожденных им процессов, после чего он активизируется и создает новую программу getty для соответствующего терминала. Таким образом процесс init поддерживает многопользовательскую структуру во время функционирования системы. Схема описанного “круговорота” представлена на Error! Reference source not found. init fork()/ exec() getty Печатает login: и ожидает входа в систему login Запрашивает пароль и проверяет его init После окончания работы shell создает новый getty shell Выполняет пользовательские программы неверный пароль ввод пароля верный пароль окончание работы БИЛЕТ 25 . Разделяемые ресурсы. Критические секции. Взаимное исключение. Тупики. В однопроцессорных системах имеет место так называемый псевдопараллелизм – хотя в каждый конкретный момент времени процессор занят обработкой одной конкретной задачи, благодаря постоянному переключению с исполнения одной задачи на другую, достигается иллюзия параллельного исполнения нескольких задач. Во многопроцессорных системах задача максимально эффективного использования каждого конкретного процессора также решается путем переключения между процессами, однако тут, наряду с псевдопараллелизмом, имеет место и действительный параллелизм, когда на разных процессорах в один и тот же момент времени исполняются разные процессы. Процессы, выполнение которых хотя бы частично перекрывается по времени, называются параллельными. Они могут быть независимыми и взаимодействующими. Независимые процессы – процессы, использующие независимое множество ресурсов; на результат работы такого процесса не должна влиять работа другого независимого процесса. Наоборот – взаимодействующие процессы совместно используют ресурсы и выполнение одного процесса может оказывать влияние на результат другого. Совместное использование ресурса двумя процессами, когда каждый из процессов полностью владеет ресурсом некоторое время, называют разделением ресурса. Разделению подлежат как аппаратные, так программные ресурсы. Разделяемые ресурсы, которые должны быть доступны в текущий момент времени только одному процессу – это так называемые критические ресурсы. Таковыми ресурсами могут быть как внешнее устройство, так и некая переменная, значение которой может изменяться разными процессами. Процессы могут быть связаны некоторыми соотношениями (например, когда один процесс является прямым потомком другого), а могут быть не связанными друг с другом. Кроме того, процессы могут выполняться в разных узлах сети. Эти обстоятельства влияют на способ их взаимодействия, а именно – на возможность совместно использовать ресурсы, обмениваться информацией, оповещать друг друга о наступлении некоторых событий, а также определяют возможность одного процесса влиять на выполнение другого. Таким образом, необходимо уметь решать две важнейшие задачи: 1. Распределение ресурсов между процессами. 2. Организация защиты ресурсов, выделенных определенному процессу, от неконтролируемого доступа со стороны других процессов. Важнейшим требованием мультипрограммирования с точки зрения распределения ресурсов является следующее: результат выполнения процессов не должен зависеть от порядка переключения выполнения между процессами, т.е. от соотношения скорости выполнения данного процесса со скоростями выполнения других процессов. В качестве примера ситуации, когда это правило нарушается, рассмотрим следующую. Пусть имеется некоторая простая функция, которая считывает символ, введенный с клавиатуры, и выводит его на экран: void echo() {char in;input(in);output(in);} В данном примере мы используем некоторые условные функции input() и output(), так как в данный момент для нас неважно, как конкретно реализован ввод/вывод в данной системе. Поскольку такой кусок кода будет использоваться практически в любой программе, его удобно сделать разделяемым, когда ОС загружает в некоторую область памяти, доступную всем процессам, одну-единственную копию данной программы, и все процессы используют эту копию совместно. Заметим, что в этом случае переменная in является разделяемой. Представим теперь ситуацию, изображенную на Рис. 4: Процесс А input(in); output(in); Процесс В input(in); output(in); X Y Y Y Рис. 4 Конкуренция процессов за ресурс. 1. Процесс А вызывает функцию echo(), однако в тот момент, когда входной символ был считан в переменную in, но до того, как он был выведен на экран, выполнение процесса прерывается и на выполнение загружается процесс В. 2. Процесс В тоже вызывает функцию echo(). После выполнения функции echo() переменная in содержит уж новое значение, считанное с клавиатуры. 3. Процесс А возобновляет свою работу в той точке, в которой он был прерван, и выводит на экран символ, находящийся в переменной in. В рассмотренном случае символ, считанный процессом А, был потерян, а символ, считанный процессом В, был выведен дважды. Результат выполнения процессов здесь зависит от того, в какой момент осуществляется переключение процессов, и от того, какой конкретно процесс будет выбран для выполнения следующим. Такие ситуации называются гонками (в англоязычной литературе - race conditions) между процессами, а процессы – конкурирующими. Единственный способ избежать гонок при использовании разделяемых ресурсов – контролировать доступ к любым разделяемым ресурсам в системе. При этом необходимо организовать взаимное исключение – т.е. такой способ работы с разделяемым ресурсом, при котором постулируется, что в тот момент, когда один из процессов работает с разделяемым ресурсом, все остальные процессы не могут иметь к нему доступ. Проблему организации взаимного исключения можно сформулировать в более общем виде. Часть программы (фактически набор операций), в которой осуществляется работа с критическим ресурсом, называется критической секцией, или критическим интервалом. Задача взаимного исключения в этом случае сводится к тому, чтобы не допускать ситуации, когда два процесса одновременно находятся в критических секциях, связанных с одним и тем же ресурсом. Заметим, что вопрос организации взаимного исключения актуален не только для взаимосвязанных процессов, совместно использующих определенные ресурсы для обмена информацией. Выше отмечалось, что возможна ситуация, когда процессы, не подозревающие о существовании друг друга, используют глобальные ресурсы системы, такие как, например, устройства ввода/вывода. В с этом случае имеет место конкуренция за ресурсы, доступ к которым также должен быть организован по принципу взаимного исключения. Важно отметить, что при организации взаимного исключения могут возникнуть две неприятные проблемы: 1. Возникновение так называемых тупиков (deadlocks). Рассмотрим следующую ситуацию (см. Рис. 5): имеются процессы А и В, каждому из которых в некоторый момент требуется иметь доступ к двум ресурсам R 1 и R 2 . Процесс А получил доступ к ресурсу R 1, и следовательно, никакой другой процесс не может иметь к нему доступ, пока процесс А не закончит с ним работать. Одновременно процесс В завладел ресурсом R 2 . В этой ситуации каждый из процессов ожидает освобождения недостающего ресурса, но оба ресурса никогда не будут освобождены, и процессы никогда не смогут выполнить необходимые действия. Процесс А Процесс В R 1 R 2 Рис. 5 Возникновение тупиковой ситуации. 2. Ситуация блокирования (дискриминации) одного из процессов, когда один из процессов будет бесконечно находиться в ожидании доступа к разделяемому ресурсу, в то время как каждый раз при его освобождении доступ к нему получает какой-то другой процесс. Таким образом, любые средства организации взаимного исключения должны обеспечивать разрешение этих двух проблем. Помимо этого, к организации взаимного исключения выдвигаются следующие требования: 1. Не должно возникать ситуации, при которой процесс, находящийся вне своей критической секции, блокирует исполнение другого процесса. 2. Не должно делаться никаких предположений относительно взаимных скоростей исполнения процессов, а также относительно количества и скоростей работы процессоров в системе. Далее мы рассмотрим различные механизмы организации взаимного исключения для синхронизации доступа к разделяемым ресурсам и обсудим достоинства, недостатки и области применения этих подходов. БИЛЕТ 26 Некоторые способы реализации взаимного исключения: семафоры Дейкстры, мониторы, обмен сообщениями. Семафоры. Первый из таких подходов был предложен Дейкстрой в 1965 г. Дейкстра предложил новый тип данных, именуемый семафором. Семафор представляет собой переменную целого типа, над которой определены две операции: down(P) и up(V). Операция down проверяет значение семафора, и если оно больше нуля, то уменьшает его на 1. Если же это не так, процесс блокируется, причем операция down считается незавершенной. Важно отметить, что вся операция является неделимой, т.е. проверка значения, его уменьшение и, возможно, блокирование процесса производятся как одно атомарное действие, которое не может быть прервано. Операция up увеличивает значение семафора на 1. При этом, если в системе присутствуют процессы, блокированные ранее при выполнении down на этом семафоре, ОС разблокирует один из них с тем, чтобы он завершил выполнение операции down, т.е. вновь уменьшил значение семафора. При этом также постулируется, что увеличение значения семафора и, возможно, разблокирование одного из процессов и уменьшение значения являются атомарной неделимой операцией. Чтобы прояснить смысл использования семафоров для синхронизации, можно привести простую аналогию из повседневной жизни. Представим себе супермаркет, посетители которого, прежде чем войти в торговый зал, должны обязательно взять себе инвентарную тележку. В момент открытия магазина на входе имеется N свободных тележек – это начальное значение семафора. Каждый посетитель забирает одну из тележек (уменьшая тем самым количество оставшихся на 1) и проходит в торговый зал – это аналог операции down. При выходе посетитель возвращает тележку на место, увеличивая количество тележек на |