Для того, чтобы перевести систему из неактивное состояние в активное, администратор выполняет процедуру „начальной загрузки“. На разных машинах эта процедура имеет свои особенности, однако во всех случаях она реализует одну и ту же цель: загрузить копию операционной системы в основную память машины и запустить ее на исполнение. Обычно процедура начальной загрузки включает в себя несколько этапов. Переключением клавиш на пульте машины администратор может указать адрес специальной программы аппаратной загрузки, а может, нажав только одну клавишу, дать команду машине запустить процедуру загрузки, исполненную в виде микропрограммы. Эта программа может состоять из нескольких команд, подготавливающих запуск другой программы. В системе UNIX процедура начальной загрузки заканчивается считыванием с диска в память блока начальной загрузки (нулевого блока). Программа, содержащаяся в этом блоке, загружает из файловой системы ядро ОС (например, из файла с именем „/unix“ или с другим именем, указанным администратором). После загрузки ядра системы в память управление передается по стартовому адресу ядра и ядро запускается на выполнение (алгоритм start Рисунок 7.30).
      Ядро инициализирует свои внутренние структуры данных. Среди прочих структур ядро создает связные списки свободных буферов и индексов, хеш-очереди для буферов и индексов, инициализирует структуры областей, точки входа в таблицы страниц и т. д. По окончании этой фазы ядро монтирует корневую файловую систему и формирует среду выполнения нулевого процесса, среди всего прочего создавая пространство процесса, инициализируя нулевую точку входа в таблице процесса и делая корневой каталог текущим для процесса.
      Когда формирование среды выполнения процесса заканчивается, система исполняется уже в виде нулевого процесса. Нулевой процесс „ветвится“, запуская алгоритм fork прямо из ядра, поскольку сам процесс исполняется в режиме ядра. Порожденный нулевым новый процесс, процесс 1, запускается в том же режиме и создает свой пользовательский контекст, формируя область данных и присоединяя ее к своему адресному пространству. Он увеличивает размер области до надлежащей величины и переписывает программу загрузки из адресного пространства ядра в новую область: эта программа теперь будет определять контекст процесса 1. Затем процесс 1 сохраняет регистровый контекст задачи, „возвращается“ из режима ядра в режим задачи и исполняет только что переписанную программу. В отличие от нулевого процесса, который является процессом системного уровня, выполняющимся в режиме ядра, процесс 1 относится к пользовательскому уровню. Код, исполняемый процессом 1, включает в себя вызов системной функции exec, запускающей на выполнение программу из файла „/etc/init“. Обычно процесс 1 именуется процессом init, поскольку он отвечает за инициализацию новых процессов.
 
       алгоритм start /* процедура начальной загрузки системы */
       входная информация: отсутствует
       выходная информация: отсутствует
       {
        проинициализировать все структуры данных ядра;
        псевдо-монтирование корня;
        сформировать среду выполнения процесса 0;
        создать процесс 1;
        {
         /* процесс 1 */
         выделить область;
         подключить область к адресному пространству процесса init ;
         увеличить размер области для копирования в нее исполняемого кода;
         скопировать из пространства ядра в адресное пространство процесса код программы, исполняемой процессом;
         изменить режим выполнения: вернуться из режима ядра в режим задачи;
        /* процесс init далее выполняется самостоятельно — в результате выхода в режим задачи, init исполняет файл „/etc/init“ и становится  „обычным“ пользовательским процессом, производящим обращения к системным функциям */
        }
        /* продолжение нулевого процесса */
        породить процессы ядра;
        /* нулевой процесс запускает программу подкачки, управляющую распределением адресного пространства процессов между основной памятью и устройствами выгрузки. Это бесконечный цикл; нулевой процесс обычно приостанавливает свою работу, если необходимости в нем больше нет. */
        исполнить программу, реализующую алгоритм подкачки;
       }
       Рисунок 7.30. Алгоритм загрузки системы
 
      Казалось бы, зачем ядру копировать программу, запускаемую с помощью функции exec, в адресное пространство процесса 1? Он мог бы обратиться к внутреннему варианту функции прямо из ядра, однако, по сравнению с уже описанным алгоритмом это было бы гораздо труднее реализовать, ибо в этом случае функции exec пришлось бы производить анализ имен файлов в пространстве ядра, а не в пространстве задачи. Подобная деталь, требующаяся только для процесса init, усложнила бы программу реализации функции exec и отрицательно отразилась бы на скорости выполнения функции в более общих случаях.
      Процесс init (Рисунок 7.31) выступает диспетчером процессов, который порождает процессы, среди всего прочего позволяющие пользователю регистрироваться в системе. Инструкции о том, какие процессы нужно создать, считываются процессом init из файла „/etc/inittab“. Строки файла включают в себя идентификатор состояния „id“ (однопользовательский режим, многопользовательский и т. д.), предпринимаемое действие (см. упражнение 7.43) и спецификацию программы, реализующей это действие (см. Рисунок 7.32). Процесс init просматривает строки файла до тех пор, пока не обнаружит идентификатор состояния, соответствующего тому состоянию, в котором находится процесс, и создает процесс, исполняющий программу с указанной спецификацией. Например, при запуске в многопользовательском режиме (состояние 2) процесс init обычно порождает getty-процессы, управляющие функционированием терминальных линий, входящих в состав системы. Если регистрация пользователя прошла успешно, getty-процесс, пройдя через процедуру login, запускает на исполнение регистрационный shell (см. главу 10). Тем временем процесс init находится в состоянии ожидания (wait), наблюдая за прекращением существования своих потомков, а также „внучатых“ процессов, оставшихся „сиротами“ после гибели своих родителей.
      Процессы в системе UNIX могут быть либо пользовательскими, либо управляющими, либо системными. Большинство из них составляют пользовательские процессы, связанные с пользователями через терминалы. Управляющие процессы не связаны с конкретными пользователями, они выполняют широкий спектр системных функций, таких как администрирование и управление сетями, различные периодические операции, буферизация данных для вывода на устройство построчной печати и т. д. Процесс init может порождать управляющие процессы, которые будут существовать на протяжении всего времени жизни системы, в различных случаях они могут быть созданы самими пользователями. Они похожи на пользовательские процессы тем, что они исполняются в режиме задачи и прибегают к услугам системы путем вызова соответствующих системных функций.
      Системные процессы выполняются исключительно в режиме ядра. Они могут порождаться нулевым процессом (например, процесс замещения страниц vhand), который затем становится процессом подкачки. Системные процессы похожи на управляющие процессы тем, что они выполняют системные функции, при этом они обладают большими возможностями приоритетного выполнения, поскольку лежащие в их основе программные коды являются составной частью ядра. Они могут обращаться к структурам данных и алгоритмам ядра, не прибегая к вызову системных функций, отсюда вытекает их исключительность. Однако, они не обладают такой же гибкостью, как управляющие процессы, поскольку для того, чтобы внести изменения в их программы, придется еще раз перекомпилировать ядро.
 
       алгоритм init /* процесс init, в системе именуемый „процесс 1“ */
       входная информация: отсутствует
       выходная информация: отсутствует
       {
        fd = open("/etc/inittab", O_RDONLY);
        while (line_read(fd, buffer)) { /* читать каждую строку файла */
         if (invoked state != buffer state) continue; /* остаться в цикле while */
          /* найден идентификатор соответствующего состояния */
         if (fork() == 0) {
          execl("процесс указан в буфере");
          exit();
         }
         /* процесс init не дожидается завершения потомка */
         /* возврат в цикл while */
        }
        while ((id = wait((int*) 0)) != -1) {
         /* проверка существования потомка; если потомок прекратил существование, рассматривается возможность его перезапуска, в противном случае, основной процесс просто продолжает работу */
        }
       }
       Рисунок 7.31. Алгоритм выполнения процесса init
 
      Формат: идентификатор, состояние, действие, спецификация процесса
      Поля разделены между собой двоеточиями
      Комментарии в конце строки начинаются с символа '# '
        co::respawn:/etc/getty console console #Консоль в машзале
        46:2:respawn:/etc/getty -t 60 tty46 4800H #комментарии
       Рисунок 7.32. Фрагмент файла inittab

      В данной главе были рассмотрены системные функции, предназначенные для работы с контекстом процесса и для управления выполнением процесса. Системная функция fork создает новый процесс, копируя для него содержимое всех областей, подключенных к родительскому процессу. Особенность реализации функции fork состоит в том, что она выполняет инициализацию сохраненного регистрового контекста порожденного процесса, таким образом этот процесс начинает выполняться, не дожидаясь завершения функции, и уже в теле функции начинает осознавать свою предназначение как потомка. Все процессы завершают свое выполнение вызовом функции exit, которая отсоединяет области процесса и посылает его родителю сигнал „гибель потомка“. Процесс-родитель может совместить момент продолжения своего выполнения с моментом завершения процесса-потомка, используя системную функцию wait. Системная функция exec дает процессу возможность запускать на выполнение другие программы, накладывая содержимое исполняемого файла на свое адресное пространство. Ядро отсоединяет области, ранее занимаемые процессом, и назначает процессу новые области в соответствии с потребностями исполняемого файла. Совместное использование областей команд и наличие режима „sticky-bit“ дают возможность более рационально использовать память и экономить время, затрачиваемое на подготовку к запуску программ. Простым пользователям предоставляется возможность получать привилегии других пользователей, даже суперпользователя, благодаря обращению к услугам системной функции setuid и setuid-программ. С помощью функции brk процесс может изменять размер своей области данных. Функция signal дает процессам возможность управлять своей реакцией на поступающие сигналы. При получении сигнала производится обращение к специальной функции обработки сигнала с внесением соответствующих изменений в стек задачи и в сохраненный регистровый контекст задачи. Процессы могут сами посылать сигналы, используя системную функцию kill, они могут также контролировать получение сигналов, предназначенных группе процессов, прибегая к услугам функции setpgrp.
      Командный процессор shell и процесс начальной загрузки init используют стандартные обращения к системным функциям, производя набор операций, в других системах обычно выполняемых ядром. Shell интерпретирует команды пользователя, переназначает стандартные файлы ввода-вывода данных и выдачи ошибок, порождает процессы, организует каналы между порожденными процессами, синхронизирует свое выполнение с этими процессами и формирует коды, возвращаемые командами. Процесс init тоже порождает различные процессы, в частности, управляющие работой пользователя за терминалом. Когда такой процесс завершается, init может породить для выполнения той же самой функции еще один процесс, если это вытекает из информации файла „/etc/inittab“.

      1. Запустите с терминала программу, приведенную на Рисунке 7.33. Переадресуйте стандартный вывод данных в файл и сравните результаты между собой.
 
       main() {
        printf("hello\n“);
        if (fork() == 0) printf("world\n“);
       }
       Рисунок 7.33. Пример модуля, содержащего вызов функции fork и обращение к стандартному выводу
 
      2. Разберитесь в механизме работы программы, приведенной на Рисунке 7.34, и сравните ее результаты с результатами программы на Рисунке 7.4.
 
       #include ‹fcntl.h›
       int fdrd, fdwt;
       char c;
       main(argc, argv)
       int argc; char *argv[];
       {
        if (argc != 3) exit(1);
        fork();
        if ((fdrd = open(argv[1], O_RDONLY)) == -1) exit(1);
        if (((fdwt = creat(argv[2], 0666)) == -1) && ((fdwt = open(argv[2], O_WRONLY)) == -1)) exit(1);
        rdwrt();
       }
 
       rdwrt() {
        for (;;) {
         if (read(fdrd, &c, 1) != 1) return;
         write(fdwt, &c, 1);
        }
       }
       Рисунок 7.34. Пример программы, в которой процесс-родитель и процесс-потомок не разделяют доступ к файлу
 
      3. Еще раз обратимся к программе, приведенной на Рисунке 7.5 и показывающей, как два процесса обмениваются сообщениями, используя спаренные каналы. Что произойдет, если они попытаются вести обмен сообщениями, используя один канал?
      4. Возможна ли потеря информации в случае, когда процесс получает несколько сигналов прежде чем ему предоставляется возможность отреагировать на них надлежащим образом? (Рассмотрите случай, когда процесс подсчитывает количество полученных сигналов о прерывании.) Есть ли необходимость в решении этой проблемы?
      5. Опишите механизм работы системной функции kill.
      6. Процесс в программе на Рисунке 7.35 принимает сигналы типа „гибель потомка“ и устанавливает функцию обработки сигналов в исходное состояние. Что происходит при выполнении программы?
 
       #include ‹signal.h›
       main() {
        extern catcher();
        signal(SIGCLD, catcher);
        if (fork() == 0) exit();
        /* пауза до момента получения сигнала */
        pause();
       }
 
       catcher() {
        printf("процесс-родитель получил сигнал\n");
        signal(SIGCLD, catcher);
       }
       Рисунок 7.35. Программа, в которой процесс принимает сигналы типа „гибель потомка“
 
      7. Когда процесс получает сигналы определенного типа и не обрабатывает их, ядро дампирует образ процесса в том виде, который был у него в момент получения сигнала. Ядро создает в текущем каталоге процесса файл с именем „core“ и копирует в него пространство процесса, области команд, данных и стека. Впоследствии пользователь может тщательно изучить дамп образа процесса с помощью стандартных средств отладки. Опишите алгоритм, которому на Ваш взгляд должно следовать ядро в процессе создания файла „core“. Что нужно предпринять в том случае, если в текущем каталоге файл с таким именем уже существует? Как должно вести себя ядро, когда в одном и том же каталоге дампируют свои образы сразу несколько процессов?
      8. Еще раз обратимся к программе (Рисунок 7.12), описывающей, как один процесс забрасывает другой процесс сигналами, которые принимаются их адресатом. Подумайте, что произошло бы в том случае, если бы алгоритм обработки сигналов был переработан в любом из следующих направлений:
      • ядро не заменяет функцию обработки сигналов до тех пор, пока пользователь явно не потребует этого;
      • ядро заставляет процесс игнорировать сигналы до тех пор, пока пользователь не обратится к функции signal вновь.
      9. Переработайте алгоритм обработки сигналов так, чтобы ядро автоматически перенастраивало процесс на игнорирование всех последующих поступлений сигналов по возвращении из функции, обрабатывающей их. Каким образом ядро может узнать о завершении функции обработки сигналов, выполняющейся в режиме задачи? Такого рода перенастройка приблизила бы нас к трактовке сигналов в системе BSD.
      *10. Если процесс получает сигнал, находясь в состоянии приостанова во время выполнения системной функции с допускающим прерывания приоритетом, он выходит из функции по алгоритму longjump. Ядро производит необходимые установки для запуска функции обработки сигнала; когда процесс выйдет из функции обработки сигнала, в версии V это будет выглядеть так, словно он вернулся из системной функции с признаком ошибки (как бы прервав свое выполнение). В системе BSD системная функция в этом случае автоматически перезапускается. Каким образом можно реализовать этот момент в нашей системе?
      11. В традиционной реализации команды mkdir для создания новой вершины в дереве каталогов используется системная функция mknod, после чего дважды вызывается системная функция link, привязывающая точки входа в каталог с именами "." и ".." к новой вершине и к ее родительскому каталогу. Без этих трех операций каталог не будет иметь надлежащий формат. Что произойдет, если во время исполнения команды mkdir процесс получит сигнал? Что если при этом будет получен сигнал SIGKILL, который процесс не распознает? Эту же проблему рассмотрите применительно к реализации системной функции mkdir.
      12. Процесс проверяет наличие сигналов в моменты перехода в состояние приостанова и выхода из него (если в состоянии приостанова процесс находился с приоритетом, допускающим прерывания), а также в момент перехода в режим задачи из режима ядра по завершении исполнения системной функции или после обработки прерывания. Почему процесс не проверяет наличие сигналов в момент обращения к системной функции?
      *13. Предположим, что после исполнения системной функции процесс готовится к возвращению в режим задачи и не обнаруживает ни одного необработанного сигнала. Сразу после этого ядро обрабатывает прерывание и посылает процессу сигнал. (Например, пользователем была нажата клавиша "break".) Что делает процесс после того, как ядро завершает обработку прерывания?
      *14. Если процессу одновременно посылается несколько сигналов, ядро обрабатывает их в том порядке, в каком они перечислены в описании. Существуют три способа реагирования на получение сигнала — прием сигналов, завершение выполнения со сбросом на внешний носитель (дампированием) образа процесса в памяти и завершение выполнения без дампирования. Можно ли указать наилучший порядок обработки одновременно поступающих сигналов? Например, если процесс получает сигнал о выходе (вызывающий дампирование образа процесса в памяти) и сигнал о прерывании (выход без дампирования), то какой из этих сигналов имело бы смысл обработать первым?
      15. Запомните новую системную функцию newpgrp(pid,ngrp); которая включает процесс с идентификатором pid в группу процессов с номером ngrp (устанавливает для процесса новую группу). Подумайте, для каких целей она может использоваться и какие опасности таит в себе ее вызов.
      16. Прокомментируйте следующее утверждение: по алгоритму wait процесс может приостановиться до наступления какого-либо события и это не отразилось бы на работе всей системы.
      17. Рассмотрим новую системную функцию
 
      nowait(pid);
 
      где pid — идентификатор процесса, являющегося потомком того процесса, который вызывает функцию. Вызывая функцию, процесс тем самым сообщает ядру о том, что он не собирается дожидаться завершения выполнения своего потомка, поэтому ядро может по окончании существования потомка сразу же очистить занимаемое им место в таблице процессов. Каким образом это реализуется на практике? Оцените достоинства новой функции и сравните ее использование с использованием сигналов типа "гибель потомка".
      18. Загрузчик модулей на Си автоматически подключает к основному модулю начальную процедуру (startup), которая вызывает функцию main, принадлежащую программе пользователя. Если в пользовательской программе отсутствует вызов функции exit, процедура startup сама вызывает эту функцию при выходе из функции main. Что произошло бы в том случае, если бы и в процедуре startup отсутствовал вызов функции exit (из-за ошибки загрузчика)?
      19. Какую информацию получит процесс, выполняющий функцию wait, если его потомок запустит функцию exit без параметра? Имеется в виду, что процесс-потомок вызовет функцию в формате exit() вместо exit(n). Если программист постоянно использует вызов функции exit без параметра, то насколько предсказуемо значение, ожидаемое функцией wait? Докажите свой ответ.
      20. Объясните, что произойдет, если процесс, исполняющий программу на Рисунке 7.36 запустит с помощью функции exec самого себя. Как в таком случае ядро сможет избежать возникновения тупиковых ситуаций, связанных с блокировкой индексов?
 
       main(argc,argv)
       int argc;
       char *argv[];
       {
        execl(argv[0], argv[0], 0);
       }
       Рисунок 7.36
 
      21. По условию первым аргументом функции exec является имя (последняя компонента имени пути поиска) исполняемого процессом файла. Что произойдет в результате выполнения программы, приведенной на Рисунке 7.37? Каков будет эффект, если в качестве файла "a.out" выступит загрузочный модуль, полученный в результате трансляции программы, приведенной на Рисунке 7.36?
 
       main() {
        if (fork() == 0) {
         execl("a.out", 0);
         printf("неудачное завершение функции exec\n");
        }
       }
       Рисунок 7.37
 
      22. Предположим, что в языке Си поддерживается новый тип данных "read-only" (только для чтения), причем процесс, пытающийся записать информацию в поле с этим типом, получает отказ системы защиты. Опишите реализацию этого момента. (Намек: сравните это понятие с понятием "разделяемая область команд".) В какие из алгоритмов ядра потребуется внести изменения? Какие еще объекты могут быть реализованы аналогичным с областью образом?
      23. Какие изменения имеют место в алгоритмах open, chmod, unlink и unmount при работе с файлами, для которых установлен режим "sticky-bit"? Какие действия, например, следует предпринять в отношении такого файла ядру, когда с файлом разрывается связь?
      24. Суперпользователь является единственным пользователем, имеющим право на запись в файл паролей "/etc/passwd", благодаря чему содержимое файла предохраняется от умышленной или случайной порчи. Программа passwd дает пользователям возможность изменять свой собственный пароль, защищая от изменений чужие записи. Каким образом она работает?
      *25. Поясните, какая угроза безопасности хранения данных возникает, если setuid-программа не защищена от записи.
      26. Выполните следующую последовательность команд, в которой "a.out" — имя исполняемого файла:
 
      chmod 4777 a.out
      chown root a.out
 
      Команда chmod "включает" бит setuid (4 в 4777); пользователь "root" традиционно является суперпользователем. Может ли в результате выполнения этой последовательности произойти нарушение защиты информации?
      27. Что произойдет в процессе выполнения программы, представленной на Рисунке 7.38? Поясните свой ответ.
 
       main() {
        char *endpt;
        char *sbrk();
        int brk();
        endpt = sbrk(0);
        printf("endpt = %ud после sbrk\n", (int) endpt);
        while (endpt--) {
         if (brk(endpt) == -1) {
          printf("brk с параметром %ud завершилась неудачно\n", endpt);
          exit();
         }
        }
       }
       Рисунок 7.38
      28. Библиотечная подпрограмма malloc увеличивает область данных процесса с помощью функции brk, а подпрограмма free освобождает память, выделенную подпрограммой malloc. Синтаксис вызова подпрограмм:
 
      ptr = malloc(size);
      free(ptr);
 
      где size — целое число без знака, обозначающее количество выделяемых байт памяти, а ptr — символьная ссылка на вновь выделенное пространство. Прежде чем появиться в качестве параметра в вызове подпрограммы free, указатель ptr должен быть возвращен подпрограммой malloc. Выполните эти подпрограммы.
      29. Что произойдет в процессе выполнения программы, представленной на Рисунке 7.39? Сравните результаты выполнения этой программы с результатами, предусмотренными в системном описании.
 
       main() {
        int i;
        char *cp;
        extern char *sbrk();
        cp = sbrk(10);
        for (i = 0; i ‹ 10; i++) *cp++ = 'a' + i;
        sbrk(-10);
        cp = sbrk(10);
        for (i = 0; i ‹ 10; i++) printf("char %d = %c\n", i, *cp++);
       }
       Рисунок 7.39. Пример программы, использующей подпрограмму sbrk
      30. Каким образом командный процессор shell узнает о том, что файл исполняемый, когда для выполнения команды создает новый процесс? Если файл исполняемый, то как узнать, создан ли он в результате трансляции исходной программы или же представляет собой набор команд языка shell? В каком порядке следует выполнять проверку указанных условий?
      31. В командном языке shell символы "››" используются для направления вывода данных в файл с указанной спецификацией, например, команда: run ››outfile открывает файл с именем "outfile" (а в случае отсутствия файла с таким именем создает его) и записывает в него данные. Напишите программу, в которой используется эта команда.
 
       main() { exit(0); }
       Рисунок 7.40
      32. Процессор командного языка shell проверяет код, возвращаемый функцией exit, воспринимая нулевое значение как "истину", а любое другое значение как "ложь" (обратите внимание на несогласованность с языком Си). Предположим, что файл, исполняющий программу на Рисунке 7.40, имеет имя "truth". Поясните, что произойдет, когда shell будет исполнять следующий набор команд:
 
      while truth
      do
      truth&
      done
 
      33. Вопрос по Рисунку 7.29: В связи с чем возникает необходимость в создании процессов для конвейерной обработки двухкомпонентной команды в указанном порядке?
      34. Напишите более общую программу работы основного цикла процессора shell в части обработки каналов. Имеется в виду, что программа должна уметь обрабатывать случайное число каналов, указанных в командной строке.
      35. Переменная среды PATH описывает порядок, в котором shell'у следует просматривать каталоги в поисках исполняемых файлов. В библиотечных функциях execlp и execvp перечисленные в PATH каталоги присоединяются к именам файлов, кроме тех, которые начинаются с символа "/". Выполните эти функции.