Fachhochschule Frankfurt am Main Fachbereich 2: Informatik WS 2008/2009. Grundkurs Unix. Teil 3: Unix Prozesssystem. Dr.

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1 Fachhochschule Frankfurt am Main Fachbereich 2: Informatik WS 2008/2009 Grundkurs Unix Teil 3: Unix Prozesssystem Dr. Erwin Hoffmann

2 Dateideskriptoren Unix hat ein universelles Verständnis von Ein- und Ausgabe: Die Dateideskriptoren (File Descriptor FD) FD 0 (Standardeingabe, STDIN &0) FD1 (Standardausgabe, STDOUT &1) FD 2 (Fehlerausgabe STDERR &2) sind immer vorhanden und offen ; weitere FDs müssen von den Programmen selbst angefordert werden. [ Console: /dev/console ] FD 0 Standardeingabe Programm FD 1 FD 2 Standardausgabe Fehlerausgabe Devices: /dev/fd/0, /dev/fd/1, /dev/fd/2

3 Eingabe/Ausgabe-Umleitung Praktisch alle Unix-Kommandos geben ihre Ausgabe auf STDOUT aus (Beispiel: ls -la). Die meisten Unix-Kommandos zeigen Fehler auf STDERR (Fehlerausgabe); STDERR und STDOUT werden in der Shell ausgegeben. Viele Unix-Kommandos lesen von STDIN. Umlenkung: Ein- und Ausgabe lassen sich sowohl auf andere FDs als auch in Dateien umleiten (indirekte Umleitung): Kommando ist > bzw. >> sowie < Beispiel: ls -la > dateilisting, echo 123 > datei123; sort < datei123 Spezialfall : Umlenkung von STDERR auf das Null-Device 2>/dev/null. Die Shell kann für alle nachfolgenden Prozesse eine automatische Umleitung mittels des exec Befehsl vornehmen: exec 2>/dev/null; exec 2>&1

4 Unix Pipes Zentrales Grundprinzip bei Unix ist das Pipelining: Aus- und Eingabe zweier Progamme lassen sich verknüpfen: Auf der Shell dient hierzu das Kommando (Pipe-Symbol) Beispiel: ls -la sort Mehrfache Verknüpfungen sind möglich und üblich: ls -ls sort tail -10 Während auf der Shell-Ebene diese Beziehung in der Regel nur vorübergehend besteht, wird diese Eigenschaft bei Unix-Programmen grundsätzlich genutzt und stellt den zentralen Kommunikationskanal dar. /pfad/serverprogramm /pfad/clientprogramm serverprogramm ruft clientprogramm auf; serverprogramm liest z.b. Daten vom Netz (Socket) und schreibt diese auf FD1; clienprogramm liest von FD0 Nutzdaten; kritische Daten (Authentisierung) werden auf FD4 geschrieben und von clientprogramm auf FD3 entgegen genommen serverprogramm und clientprogramm geben Fehler gemeinsam auf FD2 (STDERR) aus.

5 Übung 1 A1: Identifizieren Sie Unix-Programme, die von STDIN lesen können. A2: Nutzen Sie eins dieser Programme und leiten Sie sowohl den einlaufenden als auch auslaufenden Datenstrom um; hierfür gibt es im wesentlichen zwei Verfahren: mit und ohne zusätzliche Pipe. F1: Welches Verfahren ist schneller (nutzen Sie cat für die zweite Methode). A3: Leiten die STDERR auf STDOUT und anschliessend in eine Datei; nutzen Sie hierbei das Kommando find / -name *.h. F2: Wie organisiert Unix die zeitliche Reihenfolge der Schreiboperation? F3: Sie wollen das Ergebnis einer solchen Operation an eine bestehende Datei anhängen. Wie lautet hierzu der geeignete Befehl?

6 Aufruf von Programmen mit Argumenten Grundsätzlich ist es dem Programmier freigestellt, wie er den Aufruf seines Programmes gestaltet. Können dem Programm zusätzliche Eingabegrössen mitgegeben werden, sprechen wird von zusätzlichen Parametern oder allgemein von Argumenten. Wir unterscheiden zwischen Argumente als Parametern (z.b. Dateiname zur Verarbeitung: programm datei) Argumente für Optionen, die mit einem zusätzlichen Qualifier eingeleitet werden: -Option (eingeschaltet) oder +Option (ausgeschaltet); dies wird als getopts Standard bezeichnet: programm -h, programm -v Hinweis: Die +Option wird kaum benutzt Achtung: Bei einigen Programmen werden die getopts Standards verletzt (tail) Optionen können zusätzliche Parameter beinhalten: -t 123: Beispiel: head -n 3

7 Einlesen von Argumenten beim Programmaufruf Der Aufruf eines Programms findet in einer bestimmten Umgebung statt: In der Shell (bash) Aus einem anderen, z.b. c-programm heraus. Hierbei ist es kritisch, wie die Argumente an das aufgerufene Programm übergeben werden: In der Shell wird die gesamte Kommandozeile geparst (und in die Variablen $1 bis $n zerlegt) und dem aufzurufenden Programm jede von einem oder mehrere Leerzeichen getrennten Zeichenkette als einzelne Variable übergeben. Hinweis: Diese Defaulteinstellung kann bei Bedarf geändert werden. In der c-umgebung sind die einzelnen Argumente (als Zeichenkette) durch das Zeichen \0 als Delimitor zu beenden.

8 Übung 2 A1: Erstellen Sie eine beliebige Datei mit vielen Zeilen (echo 123 >> datei1). Nutzen Sie die Kommandos head oder tail um die ersten bzw. letzten Zeilen auszugeben. F1: Ändern Sie den Aufruf so, dass die Argumente +N durch Leerzeichen getrennt werden. Was beobachten Sie? F2: Wie können Sie diese Programme noch aufrufen? A2: Nutzen Sie die Möglichkeit, die Datei a) unter Umleitung der Eingabe von STDIN b) unter Benutzung einer Pipe mittels des Kommandos cat einzulesen. F3: Gibt es hierbei Unterschiede in der Ausgaben? Hinweis: Die Ausdrücke <,<<, >,>>, (also z.b. ) programm < datei0 > datei1 2> datei2) sind keine Argumente, sondern Kommandos auf der Shell

9 Programme und Prozesse Unter Unix können sich Programme auf zwei unterschiedliche Weisen verhalten: Forking: Der Aufruf eines Programms führt zu einem neuen Prozess (fork) Substitution: Das aufgerufene Programm führt den bestehenden Prozess fort (exec). Auswirkungen: Beim Forking wird ein neuer Prozess gestartet, der in der Regel die (komplexe) Umgebung des Vater-Prozesses erbt; wodurch wir auch von Task sprechen. Bei der Substitution übernimmt das neue Programm zusätzlich noch alle bestehenden File-Deskriptoren.

10 UNIX Prozeßhierarchie

11 Prozess Hierarchie

12 Prozess-Environment unter Unix Zu jedem Prozeß gehört eine eigene Ablaufumgebung user usergroup aktuelles Arbeitsverzeichnis Environmentvariablen (env) command line argumente (argc,argv) Das Prozeßenvironment wird vom Vater auf den Sohn vererbt Die Vererbung von Environmentvariablen ist steuerbar Die Ablaufumgebung ist in Programmen und Prozeduren abfragbar

13 Unix Prozesse Neben der Umgebung ( Envionment ) eines Prozesses, besitzt ein Prozess unter Unix folgende spezifische Eigenschaften: Die Prozess-ID (PID) wird in der Regel monoton vom Ursprungsprozess (init) hochgezählt. Die Parent-PID, d.h. Angabe der Vater-PID. Der Prozess-Name (enspricht dem Namen des aufgerufenen Programms) Der Prozess-Owner, der angibt mit welchen Unix-Rechtern der Prozess läuft Die Prozess-Gruppe, die manchmal genutzt wird zusammengehörige Prozesse zu identifizieren. Die Prozess-Priorität, die festlegt wie häufig der Prozess vom Unix-Scheduler an die Reihe genommen wird (relativ zu allen andren): der nice-wert. Der Zustand des Prozesses (in Ausführung, in Wartestellung, schlafend...). Die CPU- bzw. IO-Verbrauch des Prozesses. Die CPU-Affinität (Multiprozessor-Maschinen). Die Grösse des Working und Data Sets, also des angeforderten Hauptspeichers.

14 Unix Prozesse (2) Der Unix-Kernel führt eine Liste über die gestarteten Prozesse, die alle von init abgeleitet sind. Bei System-V Unixen, werden die Eigenschaften der laufenden Prozesse ins Dateisystem unter /proc gespiegelt. Anzeigen von Prozessen: ps (System-V: -ef) (BSD: -aux): Anzeige der eigenen oder aller Prozesse w: Übersicht über Prozesse eingeloggter Benutzer # artemis: w 2:48PM up 6:18, 3 users, load averages: 0.34, 0.43, 0.43 USER TTY FROM LOGIN@ IDLE WHAT root v0-8:30am 56 -csh (csh) erwin v2-8:40am 6:07 xinit /home/erwin/.xinitrc -- -auth /home/erwin/.serverauth.8273 erwin p0 :0.0 8:49AM - w top: Liste der wichtigsten (Kriterium wählbar!) bzw. heftigsten Prozesse.

15 Prozesse und Signale Unix Prozesse lassen sich über Signale steuern: Name Signal Bedeutung Shell HUP 1 Prozess wird neu initialisiert INT 2 Prozess wird unterbrochen ^z (Strg-z) QUIT 3 Prozess wird abgebrochen TRAP 5 Ausgab von trace Informationen des Prozesses KILL 9 Unmittelbarer Abbruch des Prozesses ^c (Strg-c) ALARM 14 Prozess wird Wach gemacht TERM 15 Prozess wird gütig terminiert USR1 30 Programm-spezifisches Signal 1 USR2 31 Programm-spezifisches Signal 2

16 Prozesse und Signale (2) Das Kommando kill signal PID schickt signal zum Prozess mit PID. Wie der Prozess auf das Signal reagiert, hängt vom programmierten Signalhandler ab. Häufig können auch über den Prozess-Name Prozesse gemeinsam signalisiert werden: killall signal NAME Die Priorität eines Prozess lässt sich mit dem Kommando nice -N programm steuern. Default Priorität ist N=10 ; höhere Werte führen zu niedrigerer Priorität. Nur root kann die Priorität von Prozessen verbessern.

17 Exit- und Return-Codes von Programmen Jedes Programm wird mit einem Return- bzw. Exit-Code beendet. Programme, die über Unterprogramme verfügen, geben automatisch (falls nicht anders programmiert) den Return-Code des letzten ausgeführten Unterprogramms (Function, Sub-Routine) als Exit-Code zurück. Generell wird, die erfolgreiche Ausführung eines Programms vom Return/Exit-Code '0' begleitet; dies liegt aber im Ermessen des Programmierers und ist reine Konvention. Ein Programm, dass mit denn RC=0 endet, muss nicht unbedingt die inhaltliche Aufgabenstellung erfüllt haben; es wird nur dargestellt, dass es technisch sauber beendet wurde. Programme mit RC > 0 sind häufig auf einen Fehler begleitet; die Fehlerausgabe findet sich auf STDERR. Anti-Viren Programme beispielsweise signalisieren eine erkannten Virus mit einem RC > 0; technische Probleme werden aber ebenfalls mit RC >> 0 illustriert. Auf der Shell wird der Return/Exit-Code in der Variable $? abgelegt.

18 Übung 3 A1: Nutzen Sie die Kommandos ps, w und top zur Ausgabe von Unix-Prozessen. F1: Sehen Sie nur Ihre eigenen Prozesse oder alle? F2: Welche Optionen gibt es, alle Prozesse zu sehen? A2: Lenken Sie die Ausgabe des Kommados ps in eine Datei und analysieren Sie die speziell auf der ersten Zeile angebenen Wert. F3: Warum sind einige Zeilen nicht vollständig lesbar? A3: Finden Sie den Schalter (die Option), um eine langes ps Listing zu erzeugen. Nutzen Sie hierzu das Kommando man ps. A4: Starten Sie einem Terminal ein Sitzung und geben Sie cat datei1 an. Nutzen Sie ein zweites Terminalfenster, um diesen Prozess zu kill. A5: Wiederholen Sie A4, indem Sie die Datei datei1 mittels der Editoren vi oder emacs öffenen. Hinweise: Sie identifizieren die Prozesse mittels ps grep programm

19 Hintergrund-Prozesse In der Regel bleiben laufende Prozesse mit der Shell (= Terminalfenster) verbunden, aus der das Programm gestartet wurde. In diesem Fall ist das Terminal blockiert. Langlaufende Prozesse können in der Shell aber auch in den Hintergrund gestellt werden. Hierzu dient das Kommando programm & am Ende der Kommandozeile (programm ist von der Shell hinsichtlich seiner FDs detached ). Dies wird häufig benutzt (ist aber falsch!) sog. Daemonprozesse zu starten. Mit Beendigung der (Parent-)Shell werden aber auch diese Prozesse terminiert. Will man dies verhindern kann der Befehl nohup programm & genutzt werden, der die Signalweitergabe an programm unterdrückt.

20 A1: Geben Sie das Kommando ps ein. F1: Welche Prozesse stellen Sie fest? Übung 4: A2: Unix besitzt ein Hilfesystem: man. Geben Sie man ps ein. F2: Welche Informtionen können Sie entnehmen? A3: Geben Sie die Kommandos ps -ef und ps -aux ein. F3: Könne Sie das Kommandos ps -ef ausführen? F4: Falls ja, welche Unterschiede stellen Sie fest? A4: Geben Sie das Kommando tail -f datei1 ein und beobachten Sie in ein zweiten Fenster dies mittels ps F5: Wie können Sie die Ergebnisse interpretieren?

21 Unix Spezialzeichen Zeichen Bedeutung (Shell) Zeichen Programmieren / Verzeichnis-Delimitor (Root) [ test ]; [[ test ]] Testausdruck (if) \ Escape-Zeichen bzw. Zeilenfortsetzung {:ausdruck:}; a-z,a-z Regulärer Ausdruck; von/bis.,.., ~ aktuelles, übergeordnetes bzw. Heimat-Verzeichnis && ; Und- bzw. Oder Verknüpfung ; nächstes Kommando! Negation >; >> Umleitung (STDOUT) $? Return-Wert (Kommando) < Umleitung (STDIN) $$ aktuelle PID &; &1, &2 Dateideskriptoren string einfaches Quotieren; keine Subsitution von Variablen (Pipe) Kommando-Verknüpfung "string" doppeltes Quotieren; Variablen werden ersetzt $variable; $1, $n Variable; Eingabe-Variablen * ;? ;. jedes oder kein Zeichen, ein Zeichen, jedes Zeichen `command` Ausführen von command ^string$ Zeichenkette-Anfang/Ende

22 Übung 5: A1: Geben Sie das Kommando top ein. F1: Was beobachten Sie? F2: Wie können Sie das Kommando abbrechen? A2: Lesen Sie die man-page von top. A3: Geben Sie die Kommandos w und uptime an. F3: Wie interpretieren Sie die Ausgabe? A4: Das Kommando top gibt Ihnen die load des Systems an. F4: Was ist die Load? F5: Wie verhält sich die Load unter Mehrprozessorsystemen?