3. Unix Prozesse. Betriebssysteme Harald Kosch Seite 57

Transkript

1 3. Unix Prozesse Ein Prozeß ist die Umgebung eines laufenden Programms. Ein bißchen Analogie. Wer kocht gerne? Papa möchte mit Hilfe eines Rezeptes eine Torte für seine Tochter backen. Das Rezept ist das Programm, der Papa ist die CPU und die Aktivität das Rezept zu lesen, die Zutaten zu mischen und die Torte zu backen ist der Prozeß. Ein Prozeß ist die Einheit des Schedulingverfahrens In einem gegebenen Zeitpunkt gibt es genau einen laufenden Prozeß (current process) per Prozessor Ein Prozeß besitzt und fordert Ressourcen Ein Prozeß wird kreiert (nur möglich mit fork(2), vfork(2)), und terminiert (exit(2)), man 2 fork, Systembefehle: fork, vfork. Er kann ein neues Programm starten (execve (2)).Systembefehle: fork, exec. Prozeß-Hierarchie: Ein Vater und beliebig viele Töchter. Baum-Darstellung, Wurzel: init Init erbt Kinder eines terminierten Prozesses Manche Systemprozesse (swapper, pagedaemon) sind keine Kinder von init Jeder Prozeß hat immer einen wohldefinierten Zustand Betriebssysteme Harald Kosch Seite 57

2 Prozeß-context Benutzeradreßraum Steuerinformationen für den Kernel: u-area und proc-struktur u-area Benutzerstruktur relevant für den Prozeß, befindet sich im Speicher, wenn Prozeß ausgelagert. proc-struktur: eigenes Filesystem ist immer präsent. Zugriffsrechte (credentials) Umgebungsvariablen (environment variables) Hardware Context (PC, SP, PSW, (Prg. Status Word), MMU-Register) Zugriffsrechte (credentials) Steuern Besitzverhältnisse und Rechte für Dateizugriff und für das Senden von Signalen Jeder Benutzer hat eine Identifikationsnummer: UID Gruppen (durch den Systemadministrator erstellt): GID Systemadministrator (superuser): root (UID = 0, GID = 1) Effektive ID (effective UID, effective GID) Jede Datei hat einen BesitzerUID, und einen Gruppen BesitzerGUID. Beim Erzeugen werden die effektiven IDs als Besitzer eingetragen Beim Zugriff werden die effektiven IDs zur Kontrolle benutzt suid-bit (set-user bit) für Ausführbare Dateien: Der Kernel stellt den effectiven UID auf den Wert des Besitzers der Datei. Betriebssysteme Harald Kosch Seite 58

3 Bsp Das passwd Programm besitzt der Superuser, suid-bit ist gesetzt Die Paßwortdatei dürfen Benutzer direkt nicht ändern Ein Benutzer kann das eigene Paßwort durch starten von passwd ändern Große Versuchung für Einbrecher: Das Benutzerprogramm hat vorübergehend Superuser-Rechte Realen IDs wurde während des logins vergeben und ändert sich nie. Er wird z.b. gebraucht für die Bestimmung der Rechte für das Senden von Signalen Betriebssysteme Harald Kosch Seite 59

4 Modi und Kontexte Modi User mode Benutzerprozesse Kernel mode Kernel Initialisierung (startet u.a. den Idle-Prozeß) Im Auftrag eines Benutzerprozesses, via syscall oder exception (process context) Interrupt-Behandlung oder eigene Aktivität (system context oder interrupt context) Benutzerprogramme dürfen Kerneldaten nie zugreifen Kommunikation durch Systemcalls context switch sh New Process sh Same Process ls PID=501 PID=748 PID=748 User Mode Kernel Mode Fork Call Fork Code new shell created Exec Sys Call Exec Code sh overlaid with ls Speicher Virtueller Adreßraum per Prozeß Page Tabelle per Prozeß Globale Kernel-Daten (z.b. process table immer im Speicher!) Zugriff auf Prozeßdaten nur im process context Betriebssysteme Harald Kosch Seite 60

5 Per-Prozeß Kernel-Daten proc (immer verfügbar): ID, address map für die u-area, Zustand, Priorität, Scheduler, MM Info etc. u-area (nur für laufende Prozesse): PCB, Offene Dateien, Adressen der Code und Datenbereiche, Statistiken, Abgespeicherte Registerinhalte, reale und effektive UID und GID etc. kernel stack: macht den Kernel re-entrant Betriebssysteme Harald Kosch Seite 61

6 Adreßbereich eines Prozesses Text Enthält den Code Initialisierte Daten (initialized data) Statisch initialisierte Daten (Programmvariablen) Uninitialisierte Daten (block static storage, bss) Deklarierte aber uninitialiserte Programmvariablen Geteilter Speicher (shared memory) Speziell definierte Segmente, die Unix-Prozesse teilen können (Beispiel später) Shared libraries Prozesse können den Code von gemeinsamen library-funktionen teilen. Z.B. der gleiche Editor wird nur einmal geladen, auch wenn mehrfach verwendet Heap Dynamisch (zur Laufzeit) allozierter Speicher (brk, sbrk als syscalls oder malloc als Standard C-Funktion). Benutzerstack Jeder Prozeß hat einen Stack, wo die semi-dynamische Daten einer Prozeduraufrufkette gespeichert werden Betriebssysteme Harald Kosch Seite 62

7 Prozeßbeschreibung Memory File Memorytabelle Kernelstack I/O... Inodetabelle Processes Prozeßtabelle u_area region table Kernel Space Prozeß 1 Prozeß 2... u_area region table Process Control Block User Space Process Image Text data shared heap stack Text data shared heap stack Figure 10: Kontrolltabellen im User Space und Kernel Space Betriebssysteme Harald Kosch Seite 63

8 Prozeßzustände interrupt interrupt return syscall interrupt 2 User Running 1 return Kernel running return to user Preempted 7 9 exit reschedule process Zombie sleep 3 Ready to run in Memory Asleep in Memory 4 wakeup enough mem Created swap out swap in swap out 8 fork not enough mem (swapping system only) 6 5 wakeup Sleep, Swapped Ready to run, Swapped Figure 11: Transitionsdiagramm über Prozeßzustände Betriebssysteme Harald Kosch Seite 64

9 Der fork()-systemcall Parent Process Parent Data Parent User Stack Per Process Region Table U Area Open Files Current Directory Changed Root Inode Table Kernel Stack Shared Text Child Data Child User Stack Per Process Region Table U Area Open Files Current Directory Changed Root Inode Table Kernel Stack Child Process Figure 12: Fork erzeugt einen neuen Prozeßkontext pid = fork(); Liefert eine eindeutige ID an den Vater zurück, 0 an das Kind. Betriebssysteme Harald Kosch Seite 65

10 /* forksample.c: shared file access */ #include <fcntl.h> int fdread, fdwrite; char c; void readwrite(void) { for(;;) { if( read(fdread, &c, 1)!= 1) return; write(fdwrite, &c, 1); } } int main(int argc, char**argv) { if(argc!= 3) exit(1); if( (fdread = open(argv[1], O_RDONLY)) == -1) exit(1); if( (fdwrite = creat(argv[2], 0666)) == -1) exit(-1); fork(); // Ab jetzt 2 Prozesse, gleicher Code } readwrite(); exit(0); File-Inhalt wird mit unbestimmter Reihenfolge kopiert. Es entstehen zwei Exemplare von fdwrite, fdread, c und auch zwei Stacks. Betriebssysteme Harald Kosch Seite 66

11 Aufruf eines Programmes 1. Mit fork wird ein eine Kopie des aufrufenden Prozesses erzeugt Neuer Swap-Bereich für Daten und Stack des Kindes Neuer PID und proc z.t. kopiert (UID, GID, Signalmasken etc.), z.t. neu gesetzt (PID, Vaters PID, etc.) Neue Page Table Eintrag. Neue u-area, zuerst kopiert vom Vater (Virtuelle) Duplizierung des Daten und Stackbereiches. Regiontable initialisieren. HW-Context vom Vater kopiert Kindprozeß wird ready gemacht Kind kehrt mit 0, Vater mit dem PID des Kindes zurück Betriebssysteme Harald Kosch Seite 67

12 2. Mit exec wird eine Ausführbare Datei in den neuen Prozeß geladen und gestartet Suche die ausführbare Datei entlang des Pfadnamens Prüfe das Recht zum Ausführen Prüfe den Typ der Datei (magic number im Header) Wenn das SUID oder SGID Bits gesetzt ist (oder beide), setze den effektiven UID oder GID auf die des Dateibesitzers Kopiere die Argumente von exec und die Umgebungsvariablen in Kernel Speicher (der Benutzer Speicher wird bald zerstört) Alloziere Swap-Bereich für Daten und Stack Mache den alten Speicher + Swap frei Region Table updaten für den neuen Code, Daten und Stack Setze den neuen Adreßbereich auf, teile Code wenn möglich, sonst lade ihn aus Datei Kopiere Argumente (argv) und die Umgebungsvariablen auf den Benutzerstack Setze Signalhändler zurück Initialisiere HW-Kontext: PC auf Startpunkt des neuen Codes main() { int status; if (fork() == 0) /*Kind kehrt mit 0 zurück*/ execl("/bin/date", "date", 0); /*Kind lädt date */ wait(&status); /*Vater wartet bis Kind terminiert*/ } Betriebssysteme Harald Kosch Seite 68

13 Beenden eines Prozesses Schalte alle Signale ab Schließe offene Dateien Gib Ressourcen wie Code oder current dir frei Schreibe Abruchinformationen, speichere Statistik Zombie-Zustand in proc init übernimmt eventuelle Kinder Gib den Adreßbereich, u-area, region table, swap frei Schicke dem Vater das Signal SIGCHLD Erwecke Vater (falls geblockt) Rufe den Scheduler Zombie-Prozeß Terminierte Prozesse verschwinden nicht ganz Sie bleiben in proc im zombie-zustand, bis der Vater mit einem wait ihre Terminierung abschließt Shells (Vater der Anwendung) tun das immer Tut das ein Vater nicht: Der Zombie-Prozess bleibt bis reboot erhalten kann nicht entfernt werden, weil eh tot (kostet Ressourcen und ist verwirrend) Betriebssysteme Harald Kosch Seite 69