Показать все задачи linux

Изучаем процессы в Linux

В этой статье я хотел бы рассказать о том, какой жизненный путь проходят процессы в семействе ОС Linux. В теории и на примерах я рассмотрю как процессы рождаются и умирают, немного расскажу о механике системных вызовов и сигналов.

Данная статья в большей мере рассчитана на новичков в системном программировании и тех, кто просто хочет узнать немного больше о том, как работают процессы в Linux.

Всё написанное ниже справедливо к Debian Linux с ядром 4.15.0.

Содержание

Введение

Системное программное обеспечение взаимодействует с ядром системы посредством специальных функций — системных вызовов. В редких случаях существует альтернативный API, например, procfs или sysfs, выполненные в виде виртуальных файловых систем.

Атрибуты процесса

Процесс в ядре представляется просто как структура с множеством полей (определение структуры можно прочитать здесь).
Но так как статья посвящена системному программированию, а не разработке ядра, то несколько абстрагируемся и просто акцентируем внимание на важных для нас полях процесса:

• Идентификатор процесса (pid)
• Открытые файловые дескрипторы (fd)
• Обработчики сигналов (signal handler)
• Текущий рабочий каталог (cwd)
• Переменные окружения (environ)
• Код возврата

Жизненный цикл процесса

Рождение процесса

Только один процесс в системе рождается особенным способом — init — он порождается непосредственно ядром. Все остальные процессы появляются путём дублирования текущего процесса с помощью системного вызова fork(2) . После выполнения fork(2) получаем два практически идентичных процесса за исключением следующих пунктов:

1. fork(2) возвращает родителю PID ребёнка, ребёнку возвращается 0;
2. У ребёнка меняется PPID (Parent Process Id) на PID родителя.

После выполнения fork(2) все ресурсы дочернего процесса — это копия ресурсов родителя. Копировать процесс со всеми выделенными страницами памяти — дело дорогое, поэтому в ядре Linux используется технология Copy-On-Write.
Все страницы памяти родителя помечаются как read-only и становятся доступны и родителю, и ребёнку. Как только один из процессов изменяет данные на определённой странице, эта страница не изменяется, а копируется и изменяется уже копия. Оригинал при этом «отвязывается» от данного процесса. Как только read-only оригинал остаётся «привязанным» к одному процессу, странице вновь назначается статус read-write.

Состояние «готов»

Сразу после выполнения fork(2) переходит в состояние «готов».
Фактически, процесс стоит в очереди и ждёт, когда планировщик (scheduler) в ядре даст процессу выполняться на процессоре.

Состояние «выполняется»

Как только планировщик поставил процесс на выполнение, началось состояние «выполняется». Процесс может выполняться весь предложенный промежуток (квант) времени, а может уступить место другим процессам, воспользовавшись системным вывозом sched_yield .

Перерождение в другую программу

В некоторых программах реализована логика, в которой родительский процесс создает дочерний для решения какой-либо задачи. Ребёнок в данном случае решает какую-то конкретную проблему, а родитель лишь делегирует своим детям задачи. Например, веб-сервер при входящем подключении создаёт ребёнка и передаёт обработку подключения ему.
Однако, если нужно запустить другую программу, то необходимо прибегнуть к системному вызову execve(2) :

или библиотечным вызовам execl(3), execlp(3), execle(3), execv(3), execvp(3), execvpe(3) :

Все из перечисленных вызовов выполняют программу, путь до которой указан в первом аргументе. В случае успеха управление передаётся загруженной программе и в исходную уже не возвращается. При этом у загруженной программы остаются все поля структуры процесса, кроме файловых дескрипторов, помеченных как O_CLOEXEC , они закроются.

Как не путаться во всех этих вызовах и выбирать нужный? Достаточно постичь логику именования:

• Все вызовы начинаются с exec
• Пятая буква определяет вид передачи аргументов:
  • l обозначает list, все параметры передаются как arg1, arg2, . NULL
  • v обозначает vector, все параметры передаются в нуль-терминированном массиве;
• Далее может следовать буква p, которая обозначает path. Если аргумент file начинается с символа, отличного от «/», то указанный file ищется в каталогах, перечисленных в переменной окружения PATH
• Последней может быть буква e, обозначающая environ. В таких вызовах последним аргументом идёт нуль-терминированный массив нуль-терминированных строк вида key=value — переменные окружения, которые будут переданы новой программе.

Семейство вызовов exec* позволяет запускать скрипты с правами на исполнение и начинающиеся с последовательности шебанг (#!).

Есть соглашение, которое подразумевает, что argv[0] совпадает с нулевым аргументов для функций семейства exec*. Однако, это можно нарушить.

Любопытный читатель может заметить, что в сигнатуре функции int main(int argc, char* argv[]) есть число — количество аргументов, но в семействе функций exec* ничего такого не передаётся. Почему? Потому что при запуске программы управление передаётся не сразу в main. Перед этим выполняются некоторые действия, определённые glibc, в том числе подсчёт argc.

Состояние «ожидает»

Некоторые системные вызовы могут выполняться долго, например, ввод-вывод. В таких случаях процесс переходит в состояние «ожидает». Как только системный вызов будет выполнен, ядро переведёт процесс в состояние «готов».
В Linux так же существует состояние «ожидает», в котором процесс не реагирует на сигналы прерывания. В этом состоянии процесс становится «неубиваемым», а все пришедшие сигналы встают в очередь до тех пор, пока процесс не выйдет из этого состояния.
Ядро само выбирает, в какое из состояний перевести процесс. Чаще всего в состояние «ожидает (без прерываний)» попадают процессы, которые запрашивают ввод-вывод. Особенно заметно это при использовании удалённого диска (NFS) с не очень быстрым интернетом.

Состояние «остановлен»

В любой момент можно приостановить выполнение процесса, отправив ему сигнал SIGSTOP. Процесс перейдёт в состояние «остановлен» и будет находиться там до тех пор, пока ему не придёт сигнал продолжать работу (SIGCONT) или умереть (SIGKILL). Остальные сигналы будут поставлены в очередь.

Завершение процесса

Ни одна программа не умеет завершаться сама. Они могут лишь попросить систему об этом с помощью системного вызова _exit или быть завершенными системой из-за ошибки. Даже когда возвращаешь число из main() , всё равно неявно вызывается _exit .
Хотя аргумент системного вызова принимает значение типа int, в качестве кода возврата берется лишь младший байт числа.

Состояние «зомби»

Сразу после того, как процесс завершился (неважно, корректно или нет), ядро записывает информацию о том, как завершился процесс и переводит его в состояние «зомби». Иными словами, зомби — это завершившийся процесс, но память о нём всё ещё хранится в ядре.
Более того, это второе состояние, в котором процесс может смело игнорировать сигнал SIGKILL, ведь что мертво не может умереть ещё раз.

Забытье

Код возврата и причина завершения процесса всё ещё хранится в ядре и её нужно оттуда забрать. Для этого можно воспользоваться соответствующими системными вызовами:

Вся информация о завершении процесса влезает в тип данных int. Для получения кода возврата и причины завершения программы используются макросы, описанные в man-странице waitpid(2) .

Передача argv[0] как NULL приводит к падению.

Бывают случаи, при которых родитель завершается раньше, чем ребёнок. В таких случаях родителем ребёнка станет init и он применит вызов wait(2) , когда придёт время.

После того, как родитель забрал информацию о смерти ребёнка, ядро стирает всю информацию о ребёнке, чтобы на его место вскоре пришёл другой процесс.

Благодарности

Спасибо Саше «Al» за редактуру и помощь в оформлении;

Спасибо Саше «Reisse» за понятные ответы на сложные вопросы.

Они стойко перенесли напавшее на меня вдохновение и напавший на них шквал моих вопросов.

Источник

Изучаем процессы в Linux. Управление процессами

Обновл. 12 Июл 2021 |

Процесс — это экземпляр запущенной программы. Всякий раз, когда в терминале выполняется какая-нибудь команда (например, команда pwd ), система создает/запускает новый процесс.

Типы процессов

В Linux существует три основных типа процессов:

Процессы переднего плана (или «интерактивные процессы») — они инициализируются и управляются с помощью терминального сеанса. Другими словами, необходимым условием для запуска таких процессов является наличие пользователя, подключенного к системе; они не запускаются автоматически как часть системных функций/служб. Когда команда/процесс выполняется на переднем плане, то они полностью занимают запустивший их терминал. Вы не сможете использовать другие команды, т.к. приглашение оболочки будет недоступно, пока данный процесс выполняется на переднем плане.

Фоновые процессы (или «автоматические процессы») — это процессы, не подключенные к терминалу; они не ожидают пользовательского ввода данных. Таким образом, другие процессы могут выполняться параллельно с процессом, запущенным в фоновом режиме, поскольку им не нужно ждать его завершения.

Демоны (англ. «daemons») — это особый тип фоновых процессов, которые запускаются при старте системы и продолжают работать в виде службы; они не умирают. Такие процессы запускаются как системные задачи (службы). Однако при этом они могут управляться пользователем через init-процесс (о котором мы поговорим чуть позже). Например, к демонам относится служба электронных сообщений sendmail и sshd — служба, принимающая от клиентов запросы на соединения по протоколу ssh. За исключением процесса init и некоторых других, процессы демонов обычно имеют окончание d в своем имени.

Как Linux идентифицирует процессы?

Поскольку Linux является многопользовательской системой, разные пользователи могут запускать различные программы, при этом каждый запущенный экземпляр программы должен быть однозначно идентифицирован ядром.

Процессы запущенной программы имеют уникальный пятизначный номер — PID (сокр. от «Process IDentificator» — «идентификатор процесса»), а также PPID (сокр. от «Parent Process IDentificator» — «идентификатор родительского процесса»). В связи с этим процессы дополнительно разделяют на две группы:

Родительские процессы — это процессы, которые во время своего выполнения создают другие процессы.

Дочерние процессы — эти процессы, создаваемые другими процессами во время своего выполнения.

Прародителем всех процессов в системе является процесс init (от англ. «initialization») — первая программа, которая выполняется при загрузке Linux и управляет всеми другими процессами в системе. init запускается самим ядром и всегда имеет PID = 1, поэтому у него в принципе нет родительского процесса.

Примечание: В любой момент времени в системе не существует двух процессов с одинаковым PID. Вновь создаваемому процессу может быть назначен ранее использованный свободный PID.

Состояния процесса в Linux

Когда процесс передает ядру запрос, который не может быть исполнен сразу же, то процесс «погружается в сон/ожидание» и «пробуждается», когда запрос может быть удовлетворен. В связи с этим, в зависимости от текущей ситуации, процесс, во время своего выполнения, может переходить из одного состояния в другое:

Рассмотрим основные состояния процесса:

Выполнение — процесс либо запущен (текущий процесс в системе), либо готов к запуску (ожидает передачи на выполнение процессору).

Ожидание — процесс ожидает наступления некоторого события (пользовательского ввода, сигнала от другого процесса и т.п.) или выделения системных ресурсов. Кроме того, ядро также различает два типа ожидающих процессов:

прерываемые ожидающие процессы — могут быть прерваны сигналами;

непрерываемые ожидающие процессы — процессы ожидают непосредственно на аппаратном уровне и не могут быть прерваны каким-либо событием/сигналом.

Завершен — процесс был остановлен, как правило, путем получения сигнала штатного завершения работы exit().

Зомби — иногда, когда родительский процесс убивается до завершения дочернего процесса, дочерние процессы становятся «осиротевшими», при этом в качестве нового родителя (с соответствующим изменением PPID) им назначается процесс init. Убитые процессы, но при этом все еще отображающиеся в таблице процессов, называются процессами зомби (они мертвы и не используются).

Как получить идентификатор (PID) процесса

Для отображения идентификатора нужного вам процесса можно использовать команду pidof, например:

$ pidof init
$ pidof bash
$ pidof systemd

Примечание: На вышеприведенном скриншоте вы можете видеть, что процессу init назначен PID=1 , а процессу systemd — PID=881 , хотя системой инициализации в Debian является именно systemd. Детально о том, почему возникла такая путаница, читайте здесь.

Чтобы вывести PID и PPID текущей оболочки, выполните:

$ echo $$
$ echo $PPID

Запуск интерактивного процесса в Linux

Как только вы выполните какую-нибудь команду или программу (например, firefox ), она создаст в системе соответствующий процесс. Вы можете запустить процесс переднего плана (он будет подключен к терминалу, ожидая пользовательского ввода) следующим образом:

Запуск фонового процесса в Linux

Запуск процесса в фоновом режиме полезен только для программ, которые не нуждаются в пользовательском вводе (через оболочку). Перевод задания в фоновый режим обычно выполняется, когда ожидается, что выполнение задания займет много времени.

Кроме этого, в оболочку встроена утилита управления заданиями jobs, которая позволяет легко управлять несколькими процессами, переключая их между передним планом и фоновым исполнением. Также, с помощью jobs процессы могут быть сразу запущены в фоновом режиме.

Чтобы запустить процесс в фоновом режиме, используйте символ & после имени запускаемой программы. В этом случае процесс не будет принимать пользовательский ввод, пока не переместится на передний план:

Вы также можете отправить процесс в фоновый режим, приостановив его с помощью сочетания клавиш Ctrl+Z. Данное сочетание клавиш отправит процессу сигнал SIGSTOP , тем самым переведя его в режим ожидания:

$ firefox #После Enter нажмите Ctrl+Z
$ jobs

Чтобы продолжить выполнение вышеупомянутой приостановленной команды в фоновом режиме, используйте команду bg (от англ. «begin»):

Чтобы отправить фоновый процесс на передний план, используйте команду fg (от англ. «foreground») вместе с идентификатором задания следующим образом:

Отслеживание активных процессов

Существует несколько различных инструментов для просмотра/перечисления запущенных в системе процессов. Двумя традиционными и хорошо известными из них являются команды ps и top:

Команда ps

Отображает информацию об активных процессах в системе, как показано на следующем скриншоте:

$ ps
$ ps -e | head #(head – фильтр, отображающий только первые 10 строк вывода команды «ps -e»)

Для получения дополнительной информации о процессах, запущенных текущим пользователем, применяется опция -f :

Столбцы, присутствующие в выводе команды ps , имеют следующие значения:

UID — идентификатор пользователя, которому принадлежит процесс (тот, от чьего имени происходит выполнение).

PID — идентификатор процесса.

PPID — идентификатор родительского процесса.

C — загрузка CPU процессом.

STIME — время начала выполнения процесса.

TTY — тип терминала, связанного с процессом.

TIME — количество процессорного времени, потраченного на выполнение процесса.

CMD — команда, запустившая этот процесс.

Также можно отобразить информацию по конкретному процессу, используя команду ps -f [PID] , например:

Есть и другие опции, которые можно использовать вместе с командой ps :

-a — показывает информацию о процессах по всем пользователям;

-x — показывает информацию о процессах без терминалов;

-u — показывает дополнительную информацию о процессе по заданному UID или имени пользователя;

-e — отображение расширенной информации.

Если вы хотите вывести вообще всю информацию по всем процессам системы, то используйте команду ps –aux :

Обратите внимание на выделенный заголовок. Команда ps поддерживает функцию сортировки процессов по соответствующим столбцам. Например, чтобы отсортировать список процессов по потреблению ресурсов процессора (в порядке возрастания), введите команду:

$ ps -aux —sort=%cpu

Если вы ходите выполнить сортировку по потреблению памяти (в порядке убывания), то добавьте к имени интересующего столбца знак минуса:

$ ps -aux —sort=-%mem

Еще один очень популярный пример использования команды ps — это объединение её и команды grep для поиска заданного процесса по его имени:

$ ps -aux | grep bash

Команда top

Команда top отображает информацию о запущенных процессах в режиме реального времени:

PID — идентификатор процесса.

USER — пользователь, которому принадлежит процесс.

PR — приоритет процесса на уровне ядра.

NI — приоритет выполнения процесса от -20 до 19 .

VIRT — общий объем (в килобайтах) виртуальной памяти (физическая память самого процесса; загруженные с диска файлы библиотек; память, совместно используемая с другими процессами и т.п.), используемой задачей в данный момент.

RES — текущий объем (в килобайтах) физической памяти процесса.

SHR — объем совместно используемой с другими процессами памяти.

S (сокр. от «STATUS») — состояние процесса:

S (сокр. от «Sleeping») — прерываемое ожидание. Процесс ждет наступления события.

I (сокр. от «Idle») — процесс бездействует.

R (сокр. от «Running») — процесс выполняется (или поставлен в очередь на выполнение).

Z (сокр. от «Zombie») — зомби-процесс.

%CPU — процент используемых ресурсов процессора.

%MEM — процент используемой памяти.

TIME+ — количество процессорного времени, потраченного на выполнение процесса.

COMMAND — имя процесса (команды).

Также в сочетании с основными символами состояния процесса (S от «STATUS») вы можете встретить и дополнительные:

— процесс с высоким приоритетом;

N — процесс с низким приоритетом;

l — многопоточный процесс;

s — лидер сессии.

Примечание: Все процессы объединены в сессии. Процессы, принадлежащие к одной сессии, определяются общим идентификатором сессии — идентификатором процесса, который создал эту сессию. Лидер сессии — это процесс, идентификатор сессии которого совпадает с его идентификаторами процесса и группы процессов.

Команда glances

Команда glances — это относительно новый инструмент мониторинга системы с расширенными функциями:

Примечание: Если в вашей системе отсутствует данная утилита, то установить её можно с помощью следующих команд:

$ yum install -y glances

$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install glances

Управление процессами в Linux

Также в Linux присутствуют некоторые команды для управления процессами:

kill — посылает процессу сигнал завершения работы;

pkill — завершает процесс по его имени;

pgrep — ищет процесс по его имени (и, опционально, по имени запустившего его пользователя);

killall — завершает все активные процессы.

Ниже приведены несколько основных примеров их использования:

$ pgrep -u diego firefox
$ kill 6516
$ pgrep -u diego firefox
$ pgrep -u diego glances
$ pkill glances
$ pgrep -u diego glances

Отправка сигналов процессам

Основополагающим способом управления процессами в Linux является отправка им соответствующих сигналов. Для перечисления списка всех доступных сигналов, введите команду:

Чтобы отправить процессу нужный сигнал, используйте команды kill , pkill или pgrep , о которых мы упоминали ранее. Но программы могут реагировать на сигналы только в том случае, если они запрограммированы на распознавание этих сигналов.

Большинство сигналов предназначены для внутреннего использования системой или для программистов, когда они пишут код. Ниже приведены наиболее полезные сигналы:

SIGHUP (1) — отправляется процессу, когда его управляющий терминал закрыт.

SIGINT (2) — отправляется процессу управляющим терминалом, когда пользователь прерывает процесс нажатием клавиш Ctrl+C.

SIGQUIT (3) — отправляется процессу, если пользователь посылает сигнал выхода Ctrl+D.

SIGKILL (9) — этот сигнал немедленно завершает (убивает) процесс, и процесс не будет выполнять никаких операций очистки за собой.

SIGTERM (15) — сигнал завершения программы (отправляется командой kill по умолчанию).

SIGTSTP (20) — отправляется процессу управляющим терминалом с запросом на остановку; инициируется пользователем нажатием клавиш Ctrl+Z.

Ниже приведены примеры команды kill для уничтожения приложения firefox с помощью PID, после его зависания:

$ pgrep -u diego firefox
2275 #ответ терминала
$ kill 9 2275

$ kill -SIGKILL 2275

Чтобы убить приложение, используя его имя, применяются команды pkill или killall , например:

Изменение приоритета процесса

В системе Linux все активные процессы имеют определенный приоритет выполнения, задаваемый так называемым nice-значением. Процессы с более высоким приоритетом обычно получают больше процессорного времени, чем процессы с более низким приоритетом. Однако пользователь с root-правами может повлиять на это с помощью команд nice и renice.

Узнать значение приоритета команды можно по выводу команды top (столбец NI):

Используйте команду nice , чтобы задать NI-значение для запускаемого процесса. Имейте в виду, что обычные пользователи могут задавать данный параметр в диапазоне от 0 до 20 тем процессам, которыми они владеют. Только пользователь root может использовать отрицательные значения приоритета.

Чем больше nice-значение, тем меньшим приоритетом будет обладать процесс. Например, вы можете задать приоритет для запускаемого процесса следующим образом:

$ nice -n 10 firefox

Чтобы изменить приоритет уже запущенного процесса, используйте команду renice следующим образом:

$ renice +8 5547
$ renice +8 1151

На данный момент это всё! Если у вас есть какие-либо вопросы или дополнительные идеи, вы можете поделиться ими с нами с помощью комментариев.

Поделиться в социальных сетях:

В чем разница между su и sudo в Linux?

Комментариев: 1

Написано что у каждого процесса есть свой уникальный пятизначный номер, но в терминале их гораздо меньше. Оставшиеся недописанные цифры это не показывающиеся нули слева?

Добавить комментарий Отменить ответ

• Словарь программиста
• Урок №1. Введение в программирование
• Что делать после установки Windows?
• 70+ бесплатных ресурсов для изучения программирования
• Создание игры «Тетрис»
• Создание игры «Змейка»
• Создание игры «Сапер»
• Cоздание игры «Breakout»
• Что такое Linux?
• Сравнение Linux и Windows

Источник