Вежбе 7 - системски позиви

Радован Туровић - Бранислав Ристић

Процеси

• Сваки процес који се покрене има свој јединствени број, тзв. идентификатор процеса или pid.
• Конкретно на Јуникс оперативним системима сваки процес ствара неки други процес осим init процеса који је родитељ свих осталих процеса.
• Ово се може видети покретањем команде pstree у терминалу.
  • На системима са systemd-ом, init бива замењен њиме.

ИД процеса (Primeri/01_pid)

• Сваки програм када се покрене добије свој јединствени идентификатор процеса, тј. pid.
• Могуће је пид добавити програматички користећи се системским позивом getpid().
• Такође, могуће је добавити пид родитељског процеса за текући процес позивом getppid().
• Повратна вредност обе функције је типа pid_t.
• Налази се у заглављу <unistd.h>.

Подвајање процеса (fork())

• fork() системски позив нам омогућује да тренутни процес дуплирамо.
• Процес створен на овај начин је:
  • дете процесу који позива fork()
  • независан од позивајућег процеса
  • има копиран читав садржај родитељског процеса
  • једино шта деле су дескриптори раније отворених датотека

Подвајање процеса (fork())

https://ops-class.org/slides/2017-02-10-forksynch/

Подвајање процеса (Primeri/02_fork)

• У моменту када се позове fork() системски позив, након припреме новог процеса, имамо 2 процеса који настављају да извршавају код од линије где је позван fork() па надаље.
• Уколико је позив био неуспешан, повратна вредност је -1.
• У супротном, у сваком од процеса враћа посебну повратну вредност:
  • у детету (новостворени процес) враћа 0
  • у родитељу (оригинални процес) враћа пид детета (позитиван број)
  • ово нам је битно да би даље у коду разликовали процесе и одлучили шта желимо да који извршава

Дељење меморије међу процесима

• Као што смо видели, 2 процеса су скоро потпуно независна након системског позива fork().
• Како поделити меморију између подвојених процеса?
• Користити системске позиве за рад са дељеном меморијом, из shm фамилије системских позива.

Кораци у раду са дељеном меморијом

1. Алоцирање сегмента РАМа који ће бити дељен
2. Добављање адресе сегмента
3. Коришћење сегмента
4. Одјава коришћења сегмента
5. Ослобађање сегмента

1. Алокација сегмента (shmget())

• У заглављу <sys/shm.h>.
• Системски позив shmget() прима 3 параметра:
  1. кључ сегмента, најчешће IPC_PRIVATE као сигнал да нам треба нов сегмент
  2. величина сегмента у бајтовима (shmget() ће поравнати ову меморију па се може десити да добијемо више)

1. Алокација сегмента (shmget())

• Системски позив shmget() прима 3 параметра:
  3. опције, пример:
  • IPC_CREAT|0660 где нам прва опција наглашава да нам треба стварање новог сегмента а друга опција регулише дозволе приступа (читај/пиши за власника тренутног процеса и његову групу а ништа за остале)
• Враћа ИД створеног сегмента или -1 у случају неуспеха.

2. Добављање адресе сегмента (shmat())

• У заглављу <sys/shm.h>.
• Системски позив shmat() прима 3 параметра:
  1. ИД сегмента којем желимо да се пријавимо као корисник
  2. адреса где желимо да нам буде сегмент
  3. опције
• Враћа адресу меморијског блока за коришћење у виду генералног показивача (void*; мора се кастовати у одговарајући тип).

4. одјава коришћења сегмента (shmdt())

• У заглављу <sys/shm.h>.
• Системски позив shmdt() прима 1 параметар:
  1. адреса добијена у кораку 2 од shmat() позива
• Враћа -1 након неуспеха, у супротном 0.

5. ослобађање сегмента (shmctl())

• У заглављу <sys/shm.h>.
• Системски позив shmctl() прима 3 параметра:
  1. ИД сегмента којим желимо да управљамо
  2. операција коју желимо да учинимо (у нашем случају ће бити IPC_RMID)
  3. структура shmid_ds која ће прихватити информације о сегменту (у нашем случају можемо игнорисати и послати nullptr)
• Враћа -1 након неуспеха, у супротном ненула вредност а у зависности од жељене операције.

Чекање на дете (wait(), Primer/03_fork_sa_shm)

• У заглављу <sys/shm.h>.
• Системски позив wait().
• Користи се за проверу стања и чекање процеса детета.
• Прима 1 параметар:
  1. адресу целог броја да би се проследио статус процеса; може бити nullptr
• Враћа -1 у случају грешке, у супротном ИД терминираног дечјег процеса.

Стварање новог процеса (clone())

• Системски позив clone().
• Користи се за стварање дечјих процеса или нових нити у процесу.
• Прима 4 параметра:
  1. показивач на функцију
  2. показивач на стек
  3. опције
  4. показивач на аргументе
• Враћа -1 у случају грешке, у супротном ИД створеног дечјег процеса/нити.

Стварање новог процеса

• У примеру се прави нов процес:
  1. показивач на функцију; која мора да:
  • прима као један параметар, показивач на блок меморије са аргументима (void*)
  • врати цео број као информацију о успешности (0 је успех)
  2. показивач на стек:
  • притом, пошто се стек користи уназад, мора се послати адреса последњег бајта стека!

Стварање новог процеса (Primeri/04_clone)

• У примеру се прави нов процес:
  3. опције:
  • CLONE_VM - нов процес користи исти меморијски простор као родитељ
  • SIGCHLD - омогућење детету да пошаље сигнал родитељу након терминације (неопходно да би радило чекање на дечји процес)
  4. показивач на блок меморије са аргументима:
  • мора се пазити на начин паковања и распакивања аргумената из блока!

Отварање У/И токова (pipe())

• Ради комуникације између процеса можемо и да отворимо посебне улазно/излазне токове (и још један извор) кроз које можемо слати поруке.
• За разлику од дељене меморије ови токови се понашају као датотеке тако да и комуникација мора тећи као са датотекама.
• За ове потребе се користи системски позив pipe().

Отварање У/И токова (pipe())

• Налази се у заглављу <unistd.h>.
• pipe() прима 1 параметар:
  1. адреса на низ од 2 цела броја
  • у њима ће се редом сачувати идентификатори дескриптора тока за читање потом писање података
• Враћа -1 након неуспеха, у супротном 0.

Отварање У/И токова (pipe())

• Са токовима се мора пажљиво баратати!
• Након што се ток подели свим процесима, процеси су у обавези да пре свега осталог затворе ток који неће користити:
  • нити ствараоци садржаја морају затворити токове за читање података
  • нити читачи садржаја морају затворити токове за писање података

Отварање У/И токова (Primeri/05_fork_sa_pipe)

• Позиви са писање и читање се налазе у заглављу <unistd.h>.
• И писање (write()) и читање (read()) користе по 3 параметра:
  1. ИД дескриптора за писање/читање
  2. адреса бафера за писање/читање
  3. број бајта за писање/читање

Позивање спољашњих програма (execv())

• Позивање спољаших програма програматички је могуће уз помоћ фамилију exec системских позива.
• Ова фамилија системских позива је специфична по томе да спољашњи програм у потпуности преузме позивајући процес.
• У случају успешног системског позива, спољашњи програм преузима све, пид позиваоца, поставља свој стек испочетка итд. и више се не враћамо у позивајући код.
• Позивајући програм се наставља само у случају НЕУСПЕШНОГ позива спољашњег програма.

Позивање спољашњих програма (execv(), Primeri/06_execv)

• Налазе се у заглављу <unistd.h>.
• Прима 2 параметра:
  1. путању до извршне датотеке
  2. низ показивача на аргументе
  • овај низ МОРА да се заврши nullptr показивачем као сигналом прекида низа
• Повратна вредност ће постати повратна вредност програма ако је спољашњи програм успешно створен.
• Уколико није било успеха, просто се враћа -1 позивајућем окружењу да потом одлучи шта ће радити даље.

Ланчање програма (енг. piping)

• Уобичајена појава у програмирању је да се не пише код за решавање проблема који је већ решен.
• Уместо тога, боље је искористити већ готово решење и евентуално га спојити са нашим или другим већ готовим решењем.
• Надовезивање више програма један на други се посебно лако може урадити ако су програми написани тако да примају параметре са стандардног улаза или као параметара а излаз шаљу на стандардни излаз.

Ланчање програма (енг. piping)

• У оваквој ситуацији се приступа ланчању програма, или познатије као пајповање програма.
• Веома честа појава у шел скриптовању где се резултат једне команде ланча на улаз наредне команде.
• Пример:
  • ps ax | grep firefox
  • овде се излаз програма ps (списак свих процеса) шаље директно као улаз у grep програм који ће одбацити линије које не садрже реч "firefox".

Ланчање: Ц++ (dup2())

• Да би се овај ефекат постигао у Ц++ коду, неопходно је:
  • пре позива спољног програма направити ток (енг. pipe)
  • због начина на који раде exec позиви, подвојити процес (fork())
  • у детету пре позива exec, треба преусмерити стандардни излаз на ток (користећи се dup2 позивом)
  • у родитељу се кроз ток чита излаз спољашег програма!

Ланчање: Ц++ (dup2(), Primeri/07_execv_sa_pipe)

• Системски позив dup2() се користи за дуплирање дескриптора тока.
• Налази се у заглављу <unistd.h>.
• У нашем случају ћемо га искористити за преузимање контроле над стандардним излазом.
• има 2 параметра:
  1. ИД оригиналног дескриптора (у нашем случају ИД дескриптора тока за писање)
  2. нов ИД дескриптора (у нашем случају 0, што је ИД за stdout)
• Враћа -1 у случају неуспеха, у супротном ИД новог дескриптора.