Управление процессами

случае функция, читающая из канала, не дождется признака конца файла. Она

будет ожидать его бесконечно долго. В процессе отце подчеркнутую строку

можно было бы не указывать, т.к. дескриптор закрылся бы при завершении

процесса, а в процессе сыне такая строка нужна. Т.е. вывод таков: перед

завершением работы должны закрываться все дескрипторы каналов, связанные с

записью.

Каналом можно связывать только родственные процессы. Технически можно

связывать несколько процессов одним каналом, но могут возникнуть проблемы.

Лекция №14

Сигналы в системе UNIX

Рассмотрим взаимодействие между процессами с помощью приема-передачи

сигналов. Мы уже говорили о том, что в системе UNIX можно построить

аналогию механизма прерываний из некоторых событий, которые могут возникать

при работе процессов.

Эти события так же, как и прерывания, однозначно определены для

конкретной версии ОС, т.е. набор сигналов определен. Возникновение сигналов

почти так же, как и возникновение прерываний, может происходить по

следующим причинам:

11. некоторое событие внутри программы, например, деление на ноль или

переполнение;

12. событие, связанное с приходом некоторой информации от устройства,

например, событие, связанное с передачей от клавиатуры комбинации

“Ctrl+C”;

13. событие, связанное с воздействием одного процесса на другой, например,

“SIG_KILL”.

Система имеет фиксированный набор событий, которые могут возникать.

Каждое событие имеет свое уникальное имя; эти имена обычно едины для всех

версий UNIX. Такие имена называются сигналами.

Перечень сигналов находится в include-файле “signal.h”.

Есть сигналы, которые присутствуют практически во всех UNIX, но также

есть сигналы, специфичные лишь для конкретной версии UNIX (FreeBSD, SCO

UNIX, Linux, ...) Например, в версии BSD есть сигнал приостановки работы

процесса, реакцией на который является замораживание процесса, а есть

сигнал, который размораживает процесс. Это сигнал FreeBSD версии.

Прототип функции обработки сигнала:

void (* signal (sig, fun)) ()

int sig;

void (* fun) ();

При обращении к signal мы передаем:

sig - имя сигнала;

fun - указатель на функцию, которая будет обрабатывать событие,

связанное с возникновением этого сигнала. Функция signal возвращает

указатель на предыдущую функцию обработки данного сигнала.

Мы говорили о том, что событие, связанное с возникновением сигнала

может быть обработано в системе тремя способами:

1. SIG_DEF - стандартная реакция на сигнал, которая предусмотрена

системой;

2. SIG_IGN - игнорирование сигнала (следует отметить, что далеко не все

сигналы можно игнорировать, например, SIG_KILL);

3. Некоторая пользовательская функция обработки сигнала.

Соответственно, указывая либо имена предопределенных констант, либо

указатель на функцию, которую мы хотим определить как функцию-обработчик

сигнала, можно предопределить реакцию на тот или иной сигнал. Установка

обработки сигнала происходит одноразово, это означает то, что если мы

установили некоторую обработку, то по этому правилу будет обработано только

одно событие, связанное с появлением данного сигнала. И при входе в функцию-

обработчика устанавливается стандартная реакция на сигнал. Возврат из

функции-обработчика происходит в точку прерывания процесса.

Приведем пример программы “Будильник”. Средствами ОС мы будем

“заводить” будильник. Функция alarm инициализирует появление сигнала

SIG_ALRM.

main ()

{

char s[80];

signal(SIG_ALRM, alrm); /* установка режима связи с событием SIG_ALRM

на функцию alrm */

alarm(5); /* заводим будильник */

printf(“Введите имя \n”);

for (;;)

{

printf(“имя:”);

if (gets(s,80) != NULL) break;

};

printf(“OK! \n”);

}

alrm ()

{

printf(“\n жду имя \n”);

alarm(5);

signal (SIG_ALRM,alrm);

}

В начале программы мы устанавливаем реакцию на сигнал SIG_ALRM -

функцию alrm, далее мы заводим будильник, запрашиваем “Введите имя” и

ожидаем ввода строки символов. Если ввод строки задерживается, то будет

вызвана функция alrm, которая напомнит, что программа “ждет имя”, опять

заведет будильник и поставит себя на обработку сигнала SIG_ALRM еще раз. И

так будет до тех пор, пока не будет введена строка.

Здесь имеется один нюанс: если в момент выполнения системного вызова

возникает событие, связанное с сигналом, то система прерывает выполнение

системного вызова и возвращает код ответа, равный «-1». Это мы можем также

проанализировать по функции errno.

Надо отметить, что одноразово устанавливается только “свой”

обработчик. Дефолтный обработчик или игнорирование устанавливается

многоразово, то есть его не надо каждый раз подтверждать после обработки

сигнала.

Еще две функции, которые необходимы нам для организации

взаимодействия между процессами:.…

1) int kill(int pid, sig) - это функция передачи сигнала процессу. Она

работает следующим образом: процессу с номером pid осуществляется попытка

передачи сигнала, значение которого равно sig. Соответственно, сигнал может

быть передан в рамках процессов, принадлежащих к одной группе. Код ответа:

-1, если сигнал передать не удалось, пояснение опять же можно найти в

errno. Функция kill может использоваться для проверки существования

процесса с заданным идентификатором. Если функция выполняется с sig=0, то

это тестовый сигнал, который определяет: можно или нет передать процессу

сигнал; если можно, то код ответа kill отличен от «-1». Если pid=0, то

заданный сигнал передается всем процессам, входящим в группу.

2) int wait(int *wait_ret) - ожидание события в сыновнем процессе.

Если сыновнего процесса нет, то управление возвращается сразу же с кодом

ответа «-1» и расшифровкой в errno. Если в процессе-сыне возникло событие,

то анализируются младшие 16 бит в значении wait_ret:

а) Если сын приостановлен (трассировка или получение сигнала), тогда

старшие 8 бит wait_ret - код сигнала, который получил процесс-сын, а

младшие содержат код 0177.

б) Если сыновий процесс успешно завершился через обращение к функции

exit. Тогда младшие 8 бит равны нулю, а старшие 8 бит равны коду,

установленному функцией exit.

в) Если сын завершился из-за возникновения у него необрабатываемого

сигнала, то старшие 8 бит равны нулю, а младшие - номер сигнала, который

завершил процесс.

Функция wait возвращает идентификатор процесса в случае успешного

выполнения и «-1» в противном случае. Если одно из перечисленных событий

произошло до обращения к функции, то результат возвращается сразу же, то

есть никакого ожидания не происходит, это говорит о том, что информация о

событиях в процессе безвозвратно не теряется.

Давайте рассмотрим еще один пример. Наш будильник будет уже

многопроцессный.

alr()

{

printf(“\n Быстрее!!! \n”);

signal (SIG_ALRM, alr);

}

main ()

{

char s[80]; int pid;

signal(SIG_ALRM, alr);

if (pid=fork()) for (;;)

{

sleep(5); /*приостанавливаем процесс на 5 секунд */

kill(pid, SIG_ALRM); /*отправляем сигнал SIG_ALRM процессу-сыну */

}

print(“имя?”);

for (;;)

{

printf(“имя?”);

if gets(s,80)!=NULL) break;

}

printf(“OK!\n”);

kill(getpid(), SIG_KILL); /* убиваем зациклившегося отца */

}

Следует заметить, что в разных версиях UNIX имена сигналов могут

различаться.

Наша программа реализуется в двух процессах.

Как и в предыдущем примере, имеется функция реакции на сигнал alr(),

которая выводит на экран надпись и переустанавливает функцию реакции на

сигнал опять же на себя. В основной программе мы также указываем alr() как

реакцию на SIG_ALRM. После этого мы запускаем сыновний процесс, и отцовский

процесс (бесконечный цикл) “засыпает” на 5 единиц времени, после чего

сыновнему процессу будет отправлен сигнал SIG_ALRM. Все, что ниже цикла,

будет выполняться в процессе-сыне: мы ожидаем ввода строки, если ввод

осуществлен, то происходит убиение отца (SIG_KILL).

Таким образом, мы описали базовые средства взаимодействия процессов в

UNIX: порождение процесса, замена тела процесса, взаимодействие при помощи

передач/приемов сигналов.

Замечание: мы говорим о некотором обобщенном UNIX, реальные UNIX-ы

могут иметь некоторые отличия друг от друга. На сегодняшний день имеются

достаточно формализованные стандарты на интерфейсы ОС, в частности для UNIX

это POSIX-standard, т.е. были проведены работы по стандартизации

интерфейсов всех уровней для открытых систем. Основной задачей является

унификация работы с системами, как на уровне запросов от пользователя, так

и на уровне системных вызовов. В принципе, на сегодняшний день практически

все разработчики ОС стараются привести свои системы к стандарту POSIX. В

частности, Microsoft объявила, что системные вызовы и работа с файлами в

Windows NT происходит в стандарте POSIX. Но так или иначе реальные

коммерческие системы от этого стандарта отходят.

Второе замечание: мы начали рассматривать примеры, но крайне важно,

чтобы все эти примеры были реализованы на практике, дабы убедиться, что они

работают, посмотреть, как они работают, и добиться этой работы, так как

версии UNIX могут не совпадать. Для этого следует посмотреть мануалы и,

если надо, подправить программы.

Лекция №15

Трассировка процессов

К сегодняшнему дню, мы с вами рассмотрели стандартную схему

образования процессов в UNIX-е и взаимодействие процессов с использованием

системы передачи сигналов друг другу. Мы с вами обсудили организацию

взаимодействия процессов с использованием т.н. неименованных каналов, это

средство позволяет асинхронным образом передавать информацию от одного

процесса к другому. Эти средства работают для родственных процессов.

Сегодня мы рассмотрим еще одну базовую функцию операционной системы

UNIX, которая поддерживает трассировку процессов. Трассировка - это

возможность одного процесса управлять ходом выполнения другого процесса.

Давайте рассмотрим основные действия, выполняемые при отладке.

1. Установка контрольной точки.

2. Обработка ситуации, связанной с приходом в контрольную точку.

3. Чтение/запись информации в отлаживаемой программе.

4. Остановка/продолжение выполнения отлаживаемого процесса.

5. Шаговый режим отладки (остановка отлаживаемой программы после

выполнения каждой инструкции).

6. Передача управления на произвольную точку отлаживаемой

программы.

7. Обработка аварийных остановок (АВОСТ).

Вот семь позиций, которые реализуются почти в любом средстве отладки,

с точностью до добавленных новых пунктов, в какой бы мы системе не

работали.

Теперь посмотрим, какими средствами можно организовать выполнение этих

функций в ОС UNIX. Есть функция ptrace.

ptrace(int op, int pid, int addr, int data);

Функция ptrace в подавляющем большинстве случаев работает в отцовском

процессе, и через возможности этой функции организуется управление

процессом сыном. В общем случае нельзя трассировать любой процесс. Для того

чтобы процесс можно было трассировать, чтобы сыновий процесс мог

управляться отцовским процессом, процесс-сын должен подтвердить разрешение

на его трассировку. Для этого в самом начале своего выполнения процесс-сын

должен выполнить обращение к функции ptrace с кодом операции равным нулю

(op=0), который разрешает проводить трассировку данного процесса процессом-

отцом. После этого в сыновьем процессе обращений к функции ptrace может не

быть. Все управление будет производиться отцом.

Рассмотрим, какие возможности есть у отцовского процесса для

управления сыном. Все возможности определяются значением параметра op.

Параметр pid - идентификатор сыновьего процесса, который мы хотим

трассировать.

14. op=1 или op=2 - ptrace возвращает значение слова, адрес которого

задан параметром addr (т.е. чтение слова из отлаживаемого процесса).

Здесь указаны два значения op на тот случай, если есть

самостоятельные адресные пространства в сегментах данных и кода

(т.е. можно читать данные и код). В системах, где адресация единая в

рамках процесса значение может быть любым.

15. op=3 - читать информацию из контекста процесса. Обычно речь идет о

доступе к информации из контекста данного процесса, сгруппированную

в некоторую структуру. В этом случае параметр addr указывает

смещение относительно начала этой структуры. В эта структуре

размещена информация к которой я имею доступ посредством функции

ptrace, в частности - регистры, текущее состояние процесса, счетчик

адреса и т.д.

16. op=4 или op=5 - запись данных, размещенных в параметре data, по

адресу addr. Если происходит ошибка, ptrace возвращает -1 (уточнение

в errno).

17. op=6 - запись данных из data в контекст по смещению addr. Это

означает, что можно прочесть регистры трассируемого процесса и при

необходимости изменить их содержимое (в т.ч. счетчик адреса команды,

т.е. сделать переход).

18. op=7 - продолжение выполнения трассируемого процесса. Эта операция

хитрая. Хитрость заключается в следующем. Пусть трассируемый процесс

по какой-то причине был остановлен, например по причине прихода

сигнала, процесс-отец дождался этого события с помощью функции wait

и выполняет какие-то действия не запустив отлаживаемый процесс.

Остановленному процессу могут приходить сигналы от других процессов.

Что в этом случае делать с этими сигналами? Здесь как раз и

используется ptrace с op=7. Если data=0, то процесс, который к этому

моменту был приостановлен (сыновий), продолжит свое выполнение, и

при этом все пришедшие (и необработанные еще) к нему сигналы будут

проигнорированы. Если значение параметра data равно номеру сигнала,

то это означает, что процесс (сыновий) возобновит свое выполнение, и

при этом будет смоделирована ситуация прихода сигнала с этим

номером. Все остальные сигналы будут проигнорированы. Кроме того,

если addr=1, то процесс продолжит свое выполнение с того места, на

котором он быт приостановлен. Если addr>1, то осуществиться переход

по адресу addr (goto addr).

19. op=8 - завершение трассируемого процесса.

20. op=9 - установка бита трассировки. Это тот самый код, который

обеспечивает пошаговое выполнение машинных команд. После каждой

машинной команды в процессе происходит событие, связанное с сигналом

SIG_TRAP.

Эта функция нами описана в некоторой модельной нотации, т.е. в разных

системах ptrace может иметь несколько другую интерфейсную часть. В разных

системах отличается доступ к контексту.

Все вышеописанные действия с функцией ptrace выполняются при

остановленном отлаживаемом процессе (Он может быть остановлен из-за какой-

то ошибке, может быть остановлен при приходе сигнала). Для того чтобы

отцовский процесс мог остановить трассируемый сыновий процесс может быть

выполнена следующая последовательность действий. Отцовский процесс посылает

сыну сигнал (в сыне уже ранее выполнена ptrace c op=0), предположим

SIG_TRAP, и после отправки сигнала отцовский процесс выполняет функцию

wait. После ого как сигнал дошел до сыновьего процесса и тот остановился,

отцовский процесс получает соответствующий код ответа из функции wait.

После этого считается, что трассируемый процесс остановлен и можно

выполнять все вышеописанные действия.

Давайте промоделируем работу отладчика с использованием функции

ptrace. Мы не будем писать программу, мы просто на пальцах попытаемся

понять, как можно реализовать каждую из функций отладчика. Давайте называть

отцовский процесс отладчиком, а сыновий процесс - отлаживаемым.

Установка контрольной точки.

Считается, что в отладчике имеется некоторая таблица, которая

содержит информацию о контрольных точках.

|№ Контрольной |Адрес |Сохраненное |Счетчик приходов |

|точки |контрольной точки |машинное слово |в контрольную |

| | | |точку |

| | | | |

| | | | |

При установке контрольной точки с использованием функции ptrace

происходит следующее.

Отладчик устанавливает контрольную точку по некоторому адресу.

Читает содержимое отлаживаемого процесса по данному адресу.

Записывает это содержимое (машинное слово) в таблицу.

По данному адресу записывает машинную команду, которая сформирует событие,

связанное с некоторым фиксированным сигналом, к примеру команда деления на

Страницы: 1, 2, 3, 4