オペレーティングシステム2003 第2回:

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1 オペレーティングシステム 2004 プロセス (1) 2004 年 10 月 8 日 海谷治彦 1

2 目次 アプリケーションプログラムの動作 プロセスの意味の復習 カーネル ( 復習 ) カーネル内でのプロセス プロセスの作成 プロセスの停止と削除 リソース その他, 雑多な用語の話 2

3 アプリの動かし方 Linux の例 ターミナルから実行可能プログラムのパス名を打つ. 3

4 アプリの動かし方 Win の例 1 基本的にはアイコンをつっつくとアプリが起動できる. 4

5 アプリの動かし方 Win の例 2 実は Windows でもコマンドを指定してプログラムを起動できる. 5

6 プログラムの処理の流れ プログラムがメモリに読み込まれる. 計算に必要なメモリも確保される.( 変数等のため ) CPU がプログラムを順に読んで, 計算をする. 必要ならば, デバイス ( ファイル等 ) にアクセスする. アーキテクチャの授業等の復習ですな. ディスク メモリ 6 プロCPU グラム変数等

7 プロセス 処理中のプログラム. プログラムのインスタンス. 全頁の メモリに読み込まれたプログラムとデータ に対応する概念. 1 つのプログラムをもとに複数のプロセスが発生するため, プログラムとは概念的に区別される. 以下の対比でイメージを得て! 書き物実行ソフトウェアプログラムプロセス音楽譜面演奏 7

8 Linux での実際 プロセスが計算を実行するためには資源が必要, 少なくともメモリと CPU は必要. 1 つのプログラムをもとに多数のプロセスが生成されている. 無論, 実行可能なプログラムは多数ある. 沢山のプロセスが同時に動いている ( ように見える ). プロセスの生成と消滅が繰り返されている. OS を通して業務 ( アプリの実行 ) するので当たり前か. プロセスの寿命はまちまち. ls は一瞬で終わるが,httpd は何日も動いている. 8

9 プロセス管理の (kernel への ) 要件 どんなプロセスが存在するのかを記録しておかなければならない. 資源分配のため. プロセスの生成と削除ができなければならない. 生成 削除の要求を出すのはカーネルとはかぎらない. プロセスが計算するのに必要な資源 ( メモリ,CPU など ) を各プロセスに割り当てあげないといけない. 特に CPU を使える ( 計算をできる ) 順番をスケジュールしないといけない. 一般にプロセスの数の方が CPU の数 ( 普通 1 つ ) より多い. 9

10 マルチプロセス 昨今の OS は同時に複数のプロセスを実行することができる. 例えば, 音楽を聞きながらワープロで文章が書ける. まずは, ある時点でどんなプロセスがいくつ動作しているかを観察する. 10

11 Linux でのプロセスの観察 1 ps コマンドはプロセスの状態を安易? に観察するツールである. 11

12 Linux でのプロセスの観察 2 top というコマンドでも観察できる. 12

13 Win でのプロセスの観察 タスクマネージャーから動作しているプロセスを観察できる. ( 通常,Ctrl Alt Del のキーを同時に押すと出てくる.) 13

14 プロセスの生成 一般的に UNIX では, すでに存在するプロセスの複製をつくり, 複製の内容を作り変えることで, 新しいプロセスを生成する. この複製もとになっているプロセスを通常, 親プロセス と呼ぶ. 14

15 プロセスの親子関係の例 UID PID PPID C STIME TTY TIME CMD root Aug27? 00:00:05 init root Aug27? 00:00:00 [kflushd] root Aug27? 00:00:01 [kupdate] root Aug27? 00:00:00 [kpiod] root Aug27? 00:00:04 [kswapd] root Aug27? 00:00:00 [mdrecoveryd] root Aug27? 00:00:00 [khubd] root Aug27? 00:00:02 /usr/sbin/sshd root :18? 00:00:00 /usr/sbin/sshd kaiya :18 pts/0 00:00:00 -csh kaiya :23 pts/0 00:00:00 ps -ef kaiya :19 pts/0 00:00:00 vi a.c root Aug27? 00:00:00 inetd root :22? 00:00:00 in.rlogind root :22 pts/1 00:00:00 login -- kaiya kaiya :22 pts/1 00:00:00 -bash kaiya :23 pts/1 00:00:00 emacs Foo.java ある日, あるマシンのプロセスを抜粋 (ps ef) 15

16 読み方 UID PID PPID C STIME TTY TIME CMD root Aug27? 00:00:00 inetd root :22? 00:00:00 in.rlogind root :22 pts/1 00:00:00 login -- kaiya kaiya :22 pts/1 00:00:00 -bash kaiya :23 pts/1 00:00:00 emacs Foo.java 1 行が 1 プロセス 自プロセスの番号 親プロセスの番号 プロセスのもととなったコマンド名 inetd in.rlogind 上の場合, 下の図のような親子関係になっている. 子は親の複製がもとになっている. login bash emacs 16

17 最初のプロセス 複製をもとにプロセスが生成されると, 最初にタネになるプロセスがないとはじまらない. Linux には以下の 2 つのタネになるプロセスがある. プロセス 0 Swapper, 初期化プロセス等とよばれ, カーネル内の変数等の初期化をする. プロセス 1 Init ほとんどすべてのプロセスの先祖となる 17

18 最初のプロセスの実際 プロセス 0 Swapper init/main.c の中の,start_kernel(void) 関数が実体. プロセス 1 init init/main.c の,init(void * unused) 関数が実体. init/main.c の中の一番最後に記述されている. ゼロから Linux が起動するあたりの話は別の回にやりますが, 文献 10 あたりがイイカンジ. UID PID PPID C STIME TTY TIME CMD root Aug27? 00:00:05 init root Aug27? 00:00:00 [kflushd] root Aug27? 00:00:01 [kupdate] root Aug27? 00:00:00 [kpiod] root Aug27? 00:00:04 [kswapd] 18

19 どうやって複製を作るか? fork システムコールを利用 実際に複製を作成する関数. man fork 参照 clone システムコールを利用 親と一部のデータを共有する子プロセスを作成する関数. 上記の fork より処理が軽い. 本講義ではとりあず扱わない. 19

20 fork のサンプルプログラム ( 抜粋 ) 1 void showchar(char c){ 2 // 省略 3 } 4 5 main(int argc, char* argv[]){ 6 pid_t ch; 7 if((ch=fork())==0){ // child 8 showchar('c'); 9 }else if(ch>0){ // parent 10 showchar('p'); 11 } } 20

21 fork() 関数の実行 この実行が行われた時点でプロセスのコピーが作成される. 実行後, 自分がコピー ( 子供 ) かオリジナルかは fork() の返り値でわかる. 返り値 =0: 子供 返り値 >0: オリジナル, 値は子供のプロセス ID それ以外 : fork() 失敗. 前述の例では,if 文の最初の条件が成り立った分岐は子の処理の流れ, 次の分岐がオリジナルの流れとなる. 原則, 分岐した流れは併合することはない. 21

22 fork1.c の説明 単純に自分の複製を作成するプログラム. プログラム自体は文字 c を 1 秒おきに 20 個画面に表示するダケの関数 showchar(c) を実行しているだけ. しかし親プロセスと子プロセスで異なる文字を表示するため, プロセスが複製されたことがわかる. 22

23 fork1.c の実行と観察 単にコンパイルすれば動きます. Cygwin でも動きました. 動作させて二つの文字が表示されるのを確認する. 同時に ps コマンド (ps lx) で同じ名前のプロセスが存在し, 親子関係があるのを確認する. 23

24 shell の実体プロセス複製器 tcsh の例 bash の例 コマンド名をいれるとプログラムが実行されるのは, シェルといわれるプロセス複製プログラムと対話していることになる. 文献 1 p.81, shell は自分で作れる! 24

25 fork2.c 簡単な shell 文字入力をコマンドとみたてて, その実行を行うプログラム. bash や tcsh も基本的にはこの構成. プロセス生成 消滅機構の簡単な例. 観察事項 確かに他のコマンドを呼び出せるかを確認. 呼び出されたコマンドともとのプログラムに親子関係があるかを ps xl 等で確認. 親が 10 秒待つようにコードをかいてある. 25

26 fork2.c の概要 1 main(int argc, char* argv[]){ 2 pid_t ch; char buf[100]; 3 4 while(fgets(buf, 100, stdin)!=null){ 5 buf[strlen(buf)-1]=' 0'; 6 if((ch=fork())==0){ // child 7 execl(buf, buf, NULL); // execve を呼ぶ 8 }else if(ch>0){ // parent 9 sleep(10); 10 printf("done %d n", ch); 11 wait(0); 12 } 13 } } 26

27 ライブラリ関数 execl 実行中のプロセスを他のプログラムに作り変える関数. システムコール execve を簡易に使えるようにしたもの.( フロントエンド ) 詳細はマニュアルを参照. execlp と execlv とか仲間の関数が多数ある. 詳細は次回に. 27

28 システムコール wait 子プロセスの実行終了を待つための関数. 同時に子プロセスの利用していた資源の解放も行う. コレによって子プロセスは完全に消滅する. コレをしないとゾンビ ( 後述 ) が残る場合がある. 28

29 プロセスの消滅とゾンビ 計算が終わるとプロセスも消滅し, カーネル内から削除される はずである. しかし,( 死んだ ) 子供の情報に親がアクセスする場合を UNIX は想定しているので, 計算が終わったのにプロセスのデータが残っているという状態が起こる. この状態を, ゾンビ状態という. 29

30 ゾンビの例 詳細は zombie.c を参照. 30

31 以下は雑多な用語の解説 31

32 アンケートで目についた用語 ADT BSD SVR4 Darwin Cygwin CUI/ GUI IEEE POSIX kernel システムコール リソース Daemon DNS FTP cftp 32

33 文献 2 p.82, 文献 5 p.26 リエントラント ( 再入可能 ) メモリにロードされた時点でも, 複数のプロセスが共有可能なプログラムの性質. コード側にデータ (static 変数のようなもの ) がなければ, 普通リエントラント. プロセス 1 コード ( データは含まれない ) データ データ プロセス 2 33

34 80386 インテル社の CPU で, 現在広く使われているペンティアム等の直系の祖先となる. 現在のインテル系 CPU の基礎的技術が確立された CPU. i386 とか x86 とか 80x86 とか IA32 とかいう略称は, すべて とその子孫 ( ペンティアム等 ) を指す. 今日はおしまい 34