1.6 Процессы

Наряду с файлом, понятие процесса является важнейшим в концепции открытых операционных систем.

Процесс — это обладающая уникальным идентификатором единица исполняемого кода[35] в памяти.

Подавая простую команду из оболочки, оператор дает ОС указание запустить другой процесс. В ходе исполнения процесс может порождать другие процессы и проходить целый ряд состояний, некоторые из которых будут ниже описаны. Сама оболочка также является процессом, порожденным, как правило, процессом регистрации в системе, который, в свою очередь, как правило, порождается особым инициализационным процессом.

Подобно файлам, процессы в своем отношении друг к другу могут быть представлены в виде иерархии (дерева). В отличие от иерархии файлов, ребра этого дерева представляют не отношения вложенности, но отношения порождения («родитель-ребенок»). Процесс не может появиться в системе иначе, нежели будучи порожденным другим процессом, за очевидным исключением «корневого» процесса, запускаемого самим ядром при загрузке системы. Само ядро не является процессом[36].

Исследовать процессы можно стандартной командой «ps». Поданная без параметров, она выводит информацию о текущей оболочке и порожденных ею процессах.

В выводе на Рис. 1-45 присутствуют четыре колонки. «PID» — это уникальный для системы идентификатор процесса (он устанавливается при порождении процесса и сохраняется неизменным до его завершения», «TTY» — терминал, с которого запущен процесс, «TIME» — время процесса (сумма квантов процессорного времени, потребленного процессом на момент «снимка» его состояния), «CMD» — команда, подача которой привела к порождению процесса.

В данном случае Алиса получила информацию о двух процессах: оболочке «bash» и внешней команде «ps»[37].

Команда «ps -A» выводит информацию обо всех процессах в системе[38]. В примере на Рис. 1-46 мы, подав команду из эмулятора терминала, для наглядности использовали ключ «-A» вместе с ключом «-l» («эль»), задающим «длинный» формат вывода (с дополнительными полями) и нестандартным ключом «-H», представляющим с помощью отступов в поле «CMD» отношения между процессами (вывод немного сокращен).

Несколько иной набор параметров процесса можно получить, использовав вместо ключа «-l» ключ «-w», а ключ «-o» позволяет вывести для каждого процесса произвольный набор параметров из числа поддерживаемых системой, указав их мнемонику в качестве аргумента этого ключа.

Стандартом определено пятнадцать параметров, к которым могут добавляться параметры, специфичные для конкретной системы. Мы разберем лишь некоторые из них.

UID — это идентификатор пользователя-владельца процесса. Как и у файла, у процесса есть владелец. В данном примере (при использовании ключа «-l») идентификатор выводится в числовом виде; если бы был задан ключ «-w», мы бы увидели, что числовому идентификатору 504 соответствует символический идентификатор «maksim», 505 — «alice». Числовой идентификатор 0 всегда соответствует главному пользователю «root».

Обычно UID наследуется от процесса-родителя. Исключение составляют процессы-оболочки, запускаемые программой регистрации — их UID соответствует идентификатору зарегистрировавшегося пользователя, хотя UID самой программы регистрации — 0.

Еще одно исключение — процессы, порожденные запуском программы из файла с установленным битом SUID. Их UID соответствует не породившему их процессу, а владельцу исполняемого файла. SUID (и подобный ему по эффекту бит GUID) — это мощный (и очень опасный) инструмент обхода системы распределения полномочий в ОС, поскольку позволяет пользователю запускать процессы с полномочиями выше собственных (в том числе, с полномочиями главного пользователя). Установить SUID бит может только главный пользователь. В аккуратно построенной и администрируемой системе количество программ с установленным SUID (и/или GUID) битом минимально.

В нашем примере этот механизм с очевидностью использован при запуске процесса «X» (Икс-сервер — основной компонент графической системы, предоставляющий в распоряжение Икс-клиентов (программ с графическим интерфейсом) виртуальный X-терминал, связанный с физическими видеоадаптером, клавиатурой, мышью и системным динамиком), чьим родителем является процесс «xinit» с UID равным 504. Существенно, что Икс-клиенты (процессы «blackbox», «soffice.bin», «mozilla-bin», «xterm») выполняются с обычным пользовательским UID.

PID, как мы уже знаем, это уникальный идентификатор процесса[39], а PPID — идентификатор его родителя. Обратите внимание на соответствие между PPID различных процессов в примере и расположением их в сформированном ключом «-H» «дереве».

TIME — время процесса — это совокупное количество процессорного времени, потребленного процессором на выполнение этого процесса за время его существования.

S — это состояние процесса. Запущенный процесс может находиться в одном из четырех стандартных состояний: «R» (выполняемый), «S» (ожидающий ввода-вывода), «T» (приостановленный — приостановку процессов мы обсудим ниже), «Z» («зомбированный», уже завершенный, но не успевший сообщить об этом процессу-родителю).

Итак, в примере на Рис. 1-46 мы видим:

находящийся в корне дерева процесс «init»;

два порожденных им процесса, не имеющих управляющего терминала: демон управления системой энергосбережения «apmd»[40] и демон периодического исполнения заданий «crond»;

порожденный процессом init процесс «login» с tty1 в качестве управляющего терминала;

порожденный этим процессом «login» процесс «bash» — экземпляр оболочки также с tty1 в качестве управляющего терминала;

порожденный процессом «bash» процесс «xinit» (это сценарий, запускающий компоненты графической среды);

порожденные процессом «xinit» процессы «X» (это сервер оконной системы X, он запущен в качестве демона, т.е. без управляющего терминала) и «blackbox» (это менеджер окон графической среды);

порожденные процессом «blackbox» процессы «soffice.bin» (это словарный процессор «OpenWriter», в котором набирается данный текст), «mozilla-bin» (браузер «Мозилла»), «xterm» (эмулятор текстового терминала). Они не имеют управляющего терминала;

порожденный эмулятором терминала процесс оболочки «bash» с псевдотерминалом pts/0, назначенным при запуске эмулятора терминала, в качестве управляющего;

порожденный этой оболочкой процесс «ps», который и осуществил приведенный в примере вывод;

порожденный процессом «init» процесс «login» и порожденный им процесс «bash» на терминале tty2.

Управление заданиями и сигнализация процессов

В среде стандартной оболочки и команд открытой ОС запустить бесконечный процесс можно, введя команду «( while : ; do : ; done )», запускающую бесконечный цикл в подчиненном экземпляре оболочки (Рис. 1-47).

Пока не нужно беспокоиться о понятности синтаксиса управляющих конструкций.

Если Алиса все сделала правильно, то сценарий сам по себе уже не остановится никогда (скорее всего, до разгрузки системы). Приглашения оболочки Алиса тоже уже не получит, поэтому даже не сможет выйти из системы.

Справиться с этой ситуацией ей поможет клавиатурная комбинация Control-C. Как и комбинация Control-D, она не отображается на экране, но после ее нажатия Алиса получает приглашение оболочки и при помощи команды «ps» убеждается, что никаких процессов, кроме самой оболочки и «ps», под этой оболочкой не выполняется.

Клавиатурная комбинация Control-C побуждает драйвер терминала отправить сигнал нормального завершения выполняемому процессу (в данном случае, подчиненной оболочке).

Клавиатурная комбинация Control-Z побуждает драйвер терминала отправить выполняемому процессу другой сигнал — приостановки[41].

После нажатия Control-Z оболочка выдает сообщение, состоящее из числа в квадратных скобках, слова «остановлен» («stopped» в стандартной локали) и введенной ранее команды (Рис. 1-49).

Число в квадратных скобках — это номер задания. Заданием является любая начавшая выполняться простая команда.

Состояние соответствующего процесса (колонка «S» в выводе «ps -l» (эль)) обозначено буквой «T», означающей, что процесс остановлен. Задание, соответствующее такому процессу, также называется остановленным.

Возобновить исполнение задания можно двумя способами. Команда «fg» возобновляет выполнение задания на переднем плане, а команда «bg» — на заднем плане (или в фоновом режиме)[42]. Заданием переднего плана называется задание, завершения ведущего процесса (первого процесса, запущенного подачей команды) которого ожидает оболочка перед выводом очередного приглашения, и которое может свободно выводить данные на управляющий терминал и вводить их с терминала.

В любой момент времени на переднем плане каждого управляющего терминала находится не более одного задания. Заданий заднего плана может быть неограниченное[43] количество.

В примере на Рис. 1-50 Алиса запускает сценарий «цикл», останавливает его нажатием Control-Z, затем возобновляет его выполнение на переднем плане командой «fg», снова останавливает, и затем возобновляет на заднем плане командой «bg». После этого Алиса сразу получает приглашение и, введя команду «ps -l», видит соответствующий выполнению сценария процесс «bash» (PID 2765) с состоянием «R» («выполняемый»).

Нажатие клавиатурных комбинаций Control-C и Control-Z всегда вызывает передачу сигнала заданию переднего плана. Заданию заднего плана передавать сигнал можно только явно, для чего служит команда «kill». Указание в качестве ее единственного аргумента идентификатора процесса приводит к тому, что процессу передается сигнал «нормально завершиться» (это соответствует нажатию комбинации Control-C для задания переднего плана) (Рис. 1-51).

Подача команды «kill» с ключом «-s» и идентификатором сигнала в качестве параметра этого ключа позволяет подать процессу произвольный сигнал. Стандартом определены восемь сигналов, перечисленных в таблице на Рис. 1-52.

Реализация может предусматривать большее их количество[44]. Практически во всех системах реализован сигнал SIGSTOP, его отправка процессу переднего плана большинством современных оболочек осуществляется нажатием Control-Z, как описано выше.

На пользовательском уровне применяются обычно сигналы SIGTERM и SIGKILL. Отличие их в том, что при получении первого из них процесс по возможности завершается «чисто»: сбрасывает содержимое внутренних буферов в файлы и закрывает их, а второго — завершается немедленно. Второй используется обычно для «убиения» процесса, выполняющего ошибочную программу.

До сих пор Алиса отправляла сигналы по собственной инициативе. Отправляющим процессом выступали оболочка (при передаче сигналов процессу переднего плана нажатием клавиш) или команда «kill». Но передача сигналов (межпроцессная коммуникация) может осуществляться между любыми процессами, и является широко используемым в системном и прикладном программировании механизмом ОС. Как и при доступе к файлам, при доступе к процессам ОС руководствуется системой распределения полномочий. Стандартное поведение проще, чем в случае с файлами: процесс, запущенный обычным пользователем (не главным пользователем), может сигнализировать процессу, запущенному тем же пользователем, и не может сигнализировать процессу, которым «владеет» другой пользователь. В примере на Рис. 1-53 попытка Алисы «убить» процесс, принадлежащий другому пользователю, привела к сообщению об ошибке.

Реализацией может быть определено более сложное поведение[45].

Программа может переопределить смысл сигналов, которые получает процесс (в частности, отменить завершение процесса), за исключением сигнала SIGKILL. Все стандартные команды ОС обрабатывают сигналы стандартным образом[46].

Если вам не удается завершить запущенный вами процесс подачей команды «kill -s SIGKILL», значит, в системе возникли очень серьезные неполадки.

Вы также можете столкнуться с ситуацией, когда программа переопределяет SIGINT, SIGSTOP и входит в бесконечный цикл (или ожидает события, наступления которого в обозримом будущем не предвидится). Запустив такую программу на переднем плане, вы не сможете завершить ее нажатием Control-C или приостановить нажатием Control-Z, а подать SIGKILL командой «kill» также будет невозможно, поскольку оболочка ожидает завершения процесса переднего плана.

Простого выхода из этой ситуации нет, но обычно можно зарегистрироваться на другом терминале (включая виртуальную консоль) и «убить» хитрый процесс командой «kill -s SIGKILL». Если таким образом «завис» сеанс в окне виртуального терминала, его обычно можно «убить» средствами оконного менеджера (закрыв окно). Наконец, если вы работаете на последовательном терминале, можно попытаться выключить и снова включить его. Оболочка по выключении получит сигнал SIGHUP и «убьет» подчиненные себе процессы.

Сложные команды и задания

Чтобы запустить задание на заднем плане, не обязательно запускать его на переднем плане, приостанавливать и возобновлять командой «bg». Можно воспользоваться символом завершения команды «&» (читается «амперсенд») (Рис. 1-54).

Использование символа завершения «&» позволяет ввести в одной строке более одной команды (и, соответственно, запустить более одного задания), связав их этим символом (Рис. 1-55). Список заданий можно получить командой «jobs».

Знак «+» после номера задания обозначает «текущее» задание, то есть задание, которым можно управлять командами «bg» и «fg» без аргументов. Знаком «-» помечено «предыдущее» задание (которое станет текущим по завершению текущего). При переводе задания переднего плана на задний или запуске нового задания текущее задание (если оно есть) становится «предыдущим», а вновь запущенное — текущим.

Если нужно возобновить исполнение задания на переднем или заднем плане, или перевести задание на передний план, можно воспользоваться командами «fg» и «bg», задав им аргумент, состоящий из «%» («процент»), и следующим за ним слитно номером задания (Рис. 1-56).

Другим символом завершения команды, также позволяющим подать более одной команды и инициировать более одного задания одной строкой является «;» (точка с запятой). Команда, завершенная этим символом, будет выполняться на переднем плане, а последующие команды (задания) будут выполняться после ее завершения.

При подаче сложных команд (команд, включающих в себя более одной команды) их можно группировать с использованием круглых скобок. Сгруппированные скобками команды (вне зависимости от использованного символа завершения) образуют группу команд[47], выполняемых как одно задание (Рис. 1-57).

Кроме того, группировка бывает полезна, чтобы передать значение переменной сразу всем командам, или перенаправить ввод и/или вывод всех команд.

Механизм управления заданиями (являющийся позднейшей добавкой к концепции открытых систем) чрезвычайно полезен при выполнении сложных работ с алфавитно-цифрового терминала. Сегодня операторы предпочитают при возможности запускать разные программы в разных окнах виртуальных терминалов в графической среде. Тем не менее, полезно хотя бы в общих чертах представлять, что это такое.

Существуют также символы завершения команды «&&» и «||». Их действие связано с понятием кода завершения, возвращаемого каждой командой. Код завершения определяется программой, но обычно успешно выполнившаяся команда возвращает код «0» (ноль), а выполнившаяся с ошибкой — числовое значение кода ошибки. Явную работу с кодами завершения мы обсудим при введении элементов программирования оболочки, а здесь лишь упомянем, что символ завершения «&&» означает, что заданную за ним команду следует выполнить только в случае, если указанная перед ним команда выполнилась успешно, а символ «||» — наоборот, что «правую» команду следует выполнить только при ошибочном завершении «левой» (Рис. 1-58).

1.7 Переменные

До сих пор мы имели дело с параметрами, передававшимися команде в виде аргументов, следующих за именем команды. Команда интерпретирует аргументы исходя их их значений (так, большинство команд считает аргумент, начинающийся с дефиса, ключом) и их позиции (так, команды «cp» и «mv» последний операнд считают целевым файлом или каталогом, а предшествующие — источниками), поэтому аргументы называют еще позиционными параметрами.

В открытых системах существует еще один механизм передачи параметров — переменные. В отличие от аргументов, переменные являются именованными параметрами и их семантика определяется не их позицией и значением, но именем.

В примере на Рис. 1-59 Алиса сначала подает команду «ls» с несуществующим файлом в качестве аргумента и получает сообщение об ошибке на русском языке. Затем она подает ту же команду, предварив ее конструкцией «LC_ALL=C», и получает сообщение о той же ошибке на английском языке.

Конструкция, состоящая из имени переменной и ее значения, разделенных знаком равенства («=») без промежутков, и является определением параметра-переменной для вызываемой команды. В данном случае определяется переменная «LC_ALL», которой присваивается значение «C». Переменная «LC_ALL» является одной из стандартных, ее значение определяет язык и другие национально-специфические особенности интерфейса (эту и несколько других переменных локали мы подробнее рассмотрим ниже).

Передача переменной команде таким способом не оказывает никакого влияния на поведение последующих команд. Также она не оказывает влияния на поведение оболочки.

Если нам нужно изменить подобным образом (получать сообщения на английском языке) самой оболочки, следует установить значение переменной такой же конструкцией из имени и значения переменной, разделенных знаком равенства, за которыми не следует никакой команды. Присвоение значения переменной командой само по себе не влияет на поведение вызываемых из оболочки команд, то есть эта переменная им не передается (Рис. 1-60).

Чтобы значение переменной передавалась всем вызываемым командам, ее следует сделать передаваемой (экспортировать ее) командой «export» с именем переменной в качестве аргумента (см. Рис. 1-61).

Установленное значение (вне зависимости от того, экспортировано ли оно) сохраняется до конца сеанса работы с оболочкой, до его переустановки или до уничтожения переменной командой «unset» с именем переменной в качестве аргумента.

Смысл механизма переменных как минимум двояк. Во-первых, крайне удобна возможность единообразного изменения поведения определенной группы команд, команд, поданных в течение определенного сеанса, или команд в сеансах определенного пользователя (механизм ключей для этого, очевидно, слишком громоздок). Во-вторых, язык оболочки — не только язык интерактивного взаимодействия с системой, но и императивный язык программирования.

Установка значения переменной вполне соответствует оператору присвоения в большинстве интерпретируемых императивных языков программирования. Переменные в оболочке всегда имеют строчный тип, хотя семантика некоторых команд может накладывать ограничения на значения переменных.

Запуская новый процесс (или группу процессов) при подаче команды, система передает ему копии значений всех экспортированных переменных, дополняя или заменяя их именованными параметрами, с которыми подана команда (если таковые имеются). Совокупность этих переменных называется окружением процесса. Обратное наследование (передача процессом переменных родительскому) в открытых системах отсутствует.

Переменная будет раскрыта оболочкой (подобно тому, как оболочка раскрывает значения специальных символов в именах файлов), если указать ее в любом месте любой команды в окружении фигурных скобок «{» и «}» предваренной знаком денежной единицы «$». В большинстве случаев (когда не возникает неоднозначности в интерпретации) фигурные скобки можно опустить (Рис. 1-62).

Получить список переменных, установленных в данный момент времени, можно командой «set» без аргументов, а список экспортированных переменных — командой «env» без аргументов. В типичной системе при запуске оболочки устанавливаются значения нескольких десятков переменных, большинство из которых сразу экспортируются. В примере на Рис. 1-63 эти списки сильно сокращены. С семантикой отдельных переменных мы познакомимся ниже.

Стандартом определен ряд переменных, имеющих фиксированную семантику, значения которых используются стандартными командами. Они представлены в таблице на Рис. 1-64. В большинстве случаев пользователю не нужно устанавливать их значения самостоятельно.

Кроме того, стандарт не рекомендует произвольно переопределять еще ряд переменных: ARFLAGS, CC, CDPATH, CFLAGS, CHARSET, DEAD, EDITOR, ENV, EXINIT, FC, FCEDIT, FFLAGS, GET, GFLAGS, HISTFILE, HISTORY, HISTSIZE, IFS, LDFLAGS, LEX, LFLAGS, LINENO, LISTER, LPDEST, MAIL, MAILCHECK, MAILER, MAILPATH, MAILRC, MAKEFLAGS, MAKESHELL, MANPATH, MBOX, MORE, MSGVERB, PROC, OLDPWD, OPTARG, OPTERR, OPTIND, PAGER, PPID, PRINTER, PROCLANG, PROJECTDIR, RANDOM, SECONDS, TERMCAP, TERMINFO, USER, VISUAL, YACC, YFLAGS. Некоторые из них используются самой оболочкой, некоторые — стандартными командами, а некоторые — прикладными и инструментальными программами.

Локаль, «и17я» и «л9я»

Локалью («locale» — «местонахождение») называется совокупность переменных, управляющих поведением оболочки, команд и других программ в части языковых и национально-культурных особенностей. Локалью также называются и значения, которые принимают эти переменные (кроме NLSPATH).

В любой стандартной ОС определены (совпадающие) локали «POSIX» и «C». Эта локаль называется «системной» и во всех известных нам системах она соответствует соглашениям, принятым в США[48].

В ОС может быть также определено произвольное количество локалей, именуемых следующим образом: двухбуквенное ИСО-сокращение названия страны, за которым слитно следует знак подчеркивания «_» и — слитно же — двухбуквенное ИСО-сокращение названия языка. Далее могут следовать (также слитно) точка и наименование кодовой таблицы. Для русского языка и российских культурных особенностей значением локали будет «ru_RU.KOI8-R» или «ru_RU.ISO8859-5».

Текущую локаль можно узнать, подав команду «locale». Обычно всем переменным локали (кроме NLSPATH), перечисленным на Рис. 1-65, присваивается одно и то же значение (это можно сделать, установив значение всего лишь одной переменной, LC_ALL). Однако бывают и другие случаи: например, иностранный сотрудник или студент может предпочесть сообщения и диалоги на родном языке, а остальные национально-культурные параметры — соответствующими стране пребывания.

Интернационализованной называется программа (включая стандартные команды), корректно изменяющая свое поведение в соответствии с переменными локали.

Локализованной для определенной локали называется программа, для которой существуют (если они необходимы) специфические языковые и культурные ресурсы.

Для длинных слов «localization» и «internationalization» иногда даже в формальных документах используются сокращения «l10n» и «i18n» (цифры между первой и последней буквой образуют число пропущенных букв).

Стандартный набор команд (и многие дополнительные программы), входящие в состав популярных дистрибутивов открытых систем, в массе своей интернационализованы, но с русской локализацией ситуация весьма неоднозначна. Вы столкнетесь с ситуациями, когда перевода того или иного ресурса (например, сообщений об ошибках и диагностики) для определенной программы не окажется — корректно интернационализованная программа «откатится» к системной локали «C»[49].

Вы также можете столкнуться и с некорректно интернационализованными программами (такое случается с прикладным кодом, перенесенным с альтернативных платформ, или разработанным без оглядки на локаль), которые игнорируют локаль, ведут себя странно или отказываются работать при локали, отличной от «C»[50].

К сожалению, при применении наиболее популярного сегодня «IBM PC-совместимого» оборудования (т.е. компьютеров на основе процессоров архитектуры IA-32) реальная локализация аппаратно-программной системы не сводится к установке локали. Для возможности ввода нелатинских символов необходимо назначить код переключения систем письменности какой-либо клавише. Кроме того, чтобы терминал отображал нелатинские символы в текстовом режиме, в видеоадаптер должен быть подгружен соответствующий шрифт (при применении эмулятора терминала в графическом режиме этой проблемы нет). Стандартного способа осуществления этих действий нет, каждая ОС решает эти задачи по-своему.

Еще одна локализационная сложность связана с ограничением восьмибитной кодировки: размер одного набора символов ограничен 256 и, соответственно, за вычетом управляющих символов и символов псевдографики места в нем хватает только на обычную и расширенную латиницу, обычную латиницу и русскую кириллицу или обычную латиницу и украинскую кириллицу.

Работать с текстами, включающими одновременно большее количество символов, можно, используя кодовые таблицы Юникод (стандарт ИСО/МЭК 10646) и кодировку UTF8. Однако не все ОС поддерживают корректную работу текстовых утилит при переменной длине символов. Кроме того, применять при этом вшитый знакогенератор видеоадаптера уже не представляется возможным, и для терминального режима нужен встроенный в драйвер программный знакогенератор. Проблемы, связанные с UTF8-локалью, должны быть решены в современных ОС в течение ближайших лет.

Команда как файл и переменная $PATH

Обратите внимание на переменную $PATH (у Алисы ее значение оказалось равным «/home/alice/bin:/bin:/usr/bin:/usr/local/bin:/usr/X11R6/bin:/usr/games»). Значение переменной $PATH интерпретируется оболочкой как список имен каталогов, разделенных двоеточиями. Когда оператор вводит команду, оболочка просматривает эти каталоги в поисках исполняемого файла с именем, совпадающим с именем введенной команды.