Разработка ядра Linux

Задание завершено настолько, насколько остается возможность передать необходимую информацию родительскому процессу.

Удаление дескриптора процесса

После возврата из функции do_exit дескриптор завершенного процесса все еще существует в системе, но процесс находится в состоянии TASK_ZOMBIE и не может выполняться. Как уже рассказывалось выше, это позволяет системе получить информацию о порожденном процессе после его завершения. Следовательно, завершение процесса и удаление его дескриптора происходят в разные моменты времени. После того как родительский процесс получил информацию о завершенном порожденном процессе, структура task_struct порожденного процесса освобождается.

Семейство функций wait реализовано через единственный (и достаточно сложный) системный вызов wait4. Стандартное поведение этой функции — приостановить выполнение вызывающей задачи до тех пор, пока один из ее порожденных процессов не завершится. При этом возвращается идентификатор PID завершенного порожденного процесса. В дополнение к этому, в данную функцию передается указатель на область памяти, которая после возврата из функции будет содержать код завершения завершившегося порожденного процесса.

Когда приходит время окончательно освободить дескриптор процесса, вызывается функция release_task, которая выполняет указанные ниже операции.

• Вызывается функция free_uid для декремента счетчика ссылок на информацию о пользователе процесса. В системе Linux поддерживается кэш с информацией о каждом пользователе, в частности сколько процессов и открытых файлов имеет пользователь. Если счетчик ссылок достигает значения нуль, то пользователь больше не имеет запущенных процессов и открытых файлов, в результате кэш уничтожается.

• Вызывается функция unhash_process для удаления процесса из хеш-таблицы идентификаторов процессов pidhash и удаления задачи из списка задач.

• Если задача была в состоянии трассировки (ptrace), то родительским для нее снова назначается первоначальный родительский процесс и задача удаляется из списка задач, которые находятся в состоянии трассировки (ptrace) данным процессом.

• В конце концов вызывается функция put_task_struct для освобождения страниц памяти, содержащих стек ядра процесса и структуру thread_info, a также освобождается слябовый кэш, содержащий структуру task_struct.

На данном этапе дескриптор процесса, а также все ресурсы, которые принадлежали только этому процессу, освобождены.

Дилемма "беспризорного" процесса

Если родительский процесс завершается до того, как завершаются вес его потомки, то должен существовать какой-нибудь механизм назначения нового родительского процесса для порожденных, иначе процессы, у которых нет родительского, навсегда останутся в состоянии зомби, что будет зря расходовать системную память. Решение этой проблемы было указано выше: новым родительским процессом становится или какой-либо один поток из группы потоков завершившегося родительского процесса, или процесс init. При выполнении функции do_exit вызывается функция notify_parent, которая в свою очередь вызывает forget_original_parent для осуществления переназначения родительского процесса (reparent), как показано ниже.

struct task_struct *p, *reaper = father;
struct list_head *list;

if (father->exit_signal != -1)
 reaper = prev_thread(reaper);
else
 reaper = child_reaper;

if (reaper == father)
 reaper = child_reaper;

Этот программный код присваивает переменной reaper указатель на другое задание в группе потоков данного процесса. Если в этой группе потоков нет другого задания, то переменной reaper присваивается значение переменной child_reaper, которая содержит указатель на процесс init. Теперь, когда найден подходящий родительский процесс, нужно найти все порожденные процессы и установить для них полученное значение родительского процесса, как показано ниже.

list_for_each(list, &father->children) {
 p = list_entry(list, struct task_struct, sibling);
 reparent_thread(p, reaper, child_reaper);
}

list_for_each(list, &father->ptrace_children) {
 p = list_entry(list, struct task_struct, ptrace_list);
 reparent_thread(p, reaper, child_reaper);
}

В этом программном коде организован цикл по двум спискам: по списку порожденных процессов child list и по списку порожденных процессов, находящихся в состоянии трассировки другими процессами ptraced child list. Основная причина, по которой используется именно два списка, достаточно интересна (эта новая особенность появилась в ядрах серии 2.6). Когда задача находится в состоянии ptrace, для нее временно назначается родительским тот процесс, который осуществляет отладку (debugging). Когда завершается истинный родительский процесс для такого задания, то для такой дочерней задачи также нужно осуществить переназначение родительского процесса. В ядрах более ранних версий это приводило к необходимости организации цикла по всем заданиям системы для поиска порожденных процессов. Решение проблемы, как было указано выше, — это поддержка отдельного списка для порожденных процессов, которые находятся в состоянии трассировки, что уменьшает число операций поиска: происходит переход от поиска порожденных процессов по всему списку задач к поиску только по двум спискам с достаточно малым числом элементов.

Когда для процессов переназначение родительского процесса прошло успешно, больше нет риска, что какой-либо процесс навсегда останется в состоянии зомби. Процесс init периодически вызывает функцию wait для всех своих порожденных процессов и, соответственно, удаляет все зомби-процессы, назначенные ему.

Резюме

В этой главе рассмотрена важная абстракция операционной системы — процесс. Здесь описаны общие свойства процессов, их назначение, а также представлено сравнение процессов и потоков. Кроме того, описывается, как операционная система Linux хранит и представляет информацию, которая относится к процессам (структуры task_struct и thread_info), как создаются процессы (вызовы clone и fork), каким образом новые исполняемые образы загружаются в адресное пространство (семейство вызовов exec), иерархия процессов, каким образом родительский процесс собирает информацию о своих потомках (семейство функций wait) и как в конце концов процесс завершается (непроизвольно или с помощью вызова exit).

Процесс — это фундаментальная и ключевая абстракция, которая является основой всех современных операционных систем и, в конце концов, причиной, по которой вообще существуют операционные системы (чтобы выполнять программы).

В следующей главе рассказывается о планировании выполнения процессов — изящной и интересной функции ядра, благодаря которой ядро принимает решение, какие процессы должны выполняться, в какое время и в каком порядке.

Глава 4 Планирование выполнения процессов

В предыдущей главе были рассмотрены процессы — абстракция операционной системы, связанная с активным программным кодом. В этой главе представлен планировщик процессов — код, который позволяет процессам выполняться.

Планировщик (scheduler) — это компонент ядра, который выбирает из всех процессов системы тот, который должен выполняться следующим. Таким образом, планировщик (или, как еще его называют, планировщик выполнения процессов) можно рассматривать как программный код, распределяющий конечные ресурсы процессорного времени между теми процессами операционной системы, которые могут выполняться. Планировщик является основой многозадачных (multitasking) операционных систем, таких как ОС Linux. Принимая решение о том, какой процесс должен выполняться следующим, планировщик несет ответственность за наилучшее использование ресурсов системы и создает впечатление того, что несколько процессов выполняются одновременно.

Идея, лежащая в основе планирования выполнения процессов, достаточно проста. При наличии готовых к выполнению процессов, для того чтобы лучше использовать процессорное время, необходимо, чтобы всегда выполнялся какой-нибудь процесс. Если в системе процессов больше, чем процессоров, то некоторые процессы будут выполняться не во все моменты времени. Эти процессы готовы к выполнению (runnable). Исходя из информации о наборе готовых к выполнению процессов, выбор того процесса, который должен выполняться в следующий момент времени, и есть то фундаментальное решение, которое принимает планировщик.