Разработка ядра Linux

struct task_struct *task = current->parent;

Аналогично можно выполнить цикл по процессам, порожденным от текущего процесса, с помощью кода:

struct task_struct *task;
struct list_head *list;

list_for_each(list, &current->children) {
 task = list_entry(list, struct task_struct, sibling);
 /* переменная task теперь указывает на один из процессов,
 порожденных текущим процессом */
}

Дескриптор процесса init — это статически выделенная структура данных с именем init_task. Хороший пример использования связей между всеми процессами — это приведенный ниже код, который всегда выполняется успешно.

struct task_struct *task;

for (task = current; task != $init_task; task = task->parent)
 ;
/* переменная task теперь указывает на процесс init */

Конечно, проходя по иерархии процессов, можно перейти от одного процесса системы к другому. Иногда, однако, желательно выполнить цикл по всем процессам системы. Такая задача решается очень просто, так как список задач — это двухсвязный список. Для того чтобы получить указатель на следующее задание из этого списка, имея действительный указатель на дескриптор какого-либо процесса, можно использовать показанный ниже код:

list_entry(task->tasks.next, struct task_struct, tasks);

Получение указателя на предыдущее задание работает аналогично.

list_entry(task->tasks.prev, struct task_struct, tasks);

Дна указанных выше выражения доступны также в виде макросов next_task(task) (получить следующую задачу), prev_task(task) (получить предыдущую задачу). Наконец, макрос for_each_process(task) позволяет выполнить цикл по всему списку задач. На каждом шаге цикла переменная task указывает на следующую задачу из списка:

struct task_struct *task;

for_each_process(task) {
 /* просто печатается имя команды и идентификатор PID
 для каждой задачи */
 printk("%s[%d]\n", task->comm, task->pid);
}

Следует заметить, что организация цикла по всем задачам системы, в которой выполняется много процессов, может быть достаточно дорогостоящей операцией. Для применения такого кода должны быть веские причины (и отсутствовать другие альтернативы).

Создание нового процесса

В операционной системе Unix создание процессов происходит уникальным образом. В большинстве операционных систем для создания процессов используется метод порождения процессов (spawn). При этом создается новый процесс в новом адресном пространстве, в которое считывается исполняемый файл, и после этого начинается исполнение процесса. В ОС Unix используется другой подход, а именно разбиение указанных выше операций на две функции: fork и exec [15] .

15

Под exec будем понимать любую функцию из семейства exec*. В ядре реализован системный вызов execve, на основе которого реализованы библиотечные функции execlp, execle, execv и execvp.

В начале с помощью функции fork создается порожденный процесс, который является копией текущего задания. Порожденный процесс отличается от родительского только значением идентификатора PID (который является уникальным в системе), значением параметра PPID (идентификатор PID родительского процесса, который устанавливается в значение PID порождающего процесса), некоторыми ресурсами, такими как ожидающие на обработку сигналы (которые не наследуются), а также статистикой использования ресурсов. Вторая функция — exec — загружает исполняемый файл в адресное пространство процесса и начинает исполнять его. Комбинация функций fork и exec аналогична той одной функции создания процесса, которую предоставляет большинство операционных систем.

Копирование при записи

Традиционно при выполнении функции fork делался дубликат всех ресурсов родительского процесса и передавался порожденному. Такой подход достаточно наивный и неэффективный. В операционной системе Linux вызов fork реализован с использованием механизма копирования при записи (copy-on-write) страниц памяти. Технология копирования при записи (copy-on-write, COW) позволяет отложить или вообще предотвратить копирование данных. Вместо создания дубликата адресного пространства процесса родительский и порожденный процессы могут совместно использовать одну и ту же копию адресного пространства. Однако при этом данные помечаются особым образом, и если вдруг один из процессов начинает изменять данные, то создается дубликат данных, и каждый процесс получает уникальную копию данных. Следовательно, дубликаты ресурсов создаются только тогда, когда в эти ресурсы осуществляется запись, а до того момента они используются совместно в режиме только для чтения (read-only). Такая техника позволяет задержать копирование каждой страницы памяти до того момента, пока в эту страницу памяти не будет осуществляться запись. В случае, если в страницы памяти никогда не делается запись, как, например, при вызове функции exec сразу после вызова fork, то эти страницы никогда и не копируются. Единственные накладные расходы, которые вносит вызов функции fork, — это копирование таблиц страниц родительского процесса и создание дескриптора порожденного процесса. Данная оптимизация предотвращает ненужное копирование большого количества данных (размер адресного пространства часто может быть более 10 Мбайт), так как процесс после разветвления в большинстве случаев сразу же начинает выполнять новый исполняемый образ. Эта оптимизация очень важна, потому чти идеология операционной системы Unix предусматривает быстрое выполнение процессов.

Функция fork

В операционной системе Linux функция fork реализована через системный вызов clone. Этот системный вызов может принимать в качестве аргументов набор флагов, определяющих, какие ресурсы должны быть общими (если вообще должны) у родительского и порожденного процессов. Далее в разделе "Реализация потоков в ядре Linux" об этих флагах рассказано более подробно. Библиотечные вызовы fork, vfork и __clone вызывают системную функцию clone с соответствующими флагами. В свою очередь системный вызов clone вызывает функцию ядра do_fork.

Основную массу работы по разветвлению процесса выполняет функция do_fork, которая определена в файле kernel/fork.c. Эта функция, в свою очередь, вызывает функцию copy_process и запускает новый процесс на выполнение. Ниже описана та интересная работа, которую выполняет функция copy_process.

• Вызывается функция dup_task_struct, которая создает стек ядра, структуры thread_info и task_struct для нового процесса, причем все значения указанных структур данных идентичны для порождающего и порожденного процессов. На этом этапе дескрипторы родительского и порожденного процессов идентичны.

• Проверяется, не произойдет ли при создании нового процесса переполнение лимита на количество процессов для данного пользователя.

• Теперь необходимо сделать порожденный процесс отличным от родительского. При этом различные поля дескриптора порожденного процесса очищаются или устанавливаются в начальные значения. Большое количество данных дескриптора процесса является совместно используемым.

• Далее состояние порожденного процесса устанавливается в значение TASK_UNINTERRUPTIBLE, чтобы гарантировать, что порожденный процесс не будет выполняться.