[linux] gestion de procesos

Tema 8: Procesos en LinuxIES Serra Perenxisa 2009

Gestión de Procesos

Un programa ejecutable es leído del disco por el kernel y es cargado en memoria para ejecutarse, convirtiéndose en un proceso.

En un proceso no sólo hay una copia del programa, sino además el kernel le añade información adicional para poder manejarlo.

Un proceso se compone de tres bloques fundamentales:

segmento de texto

segmento de datos

pila

Espacio de Direcciones de un Proceso Unix

kernel stack

stack(dynamic allocated mem)

code(text segment)

only read initiated data

heap(dynamically allocated mem)

0x0

0xFFFFFFFFkernel

read/write initiated data

un-initiated data (bss)

system segment(call system)

$pc

$sp

static data(data segment)

$fp

address space

shared libraries

Gestión de Procesos Segmento de texto: código de programa

Segmento de datos: variables globales y estáticas

Pila

Lo crea el kernel y su tamaño es gestionado dinámicamente por el.

Es una secuencia de bloques lógicos o stack frames Un stack frame se introduce o saca en función de si

se llama o se vuelve de la llamada a una función. Stack frame se compone de:

Las variables locales de función Parámetros de función Info. para volver al estado anterior de la llamada

Gestión de Procesos

Info. para volver al estado anterior de la llamada.

contador de programa puntero a pila al stack frame anterior

Los procesos pueden ejecutarse en dos modos: usuario y kernel.

Cada modo maneja su propia pila o stack

stack del kernel: contiene los stack frames de las llamadas a sistema(funciones que se ejecutan en modo kernel)

stack del usuario: stack frames de funciones que se ejecutan en modo usuario

Gestión de Procesos UNIX/Linux es un sistema multiproceso que permite la

ejecución de varios procesos de forma simultánea

Requiere de otro programa llamado “Planificador o scheduler” que permite gestionar que proceso entra a ejecutarse en cada instante en la CPU, ya que esta es un recurso limitado.

Todo proceso nace cuando algún otro proceso ejecuta la llamada al sistema clone. Una de las muchas formas de llamar a clone es a través de la función fork.

clone crea un duplicado idéntico del proceso que la ha llamado.

Unix proporciona un número de llamadas al sistema para creación y control de procesos, que incluye:

fork: usado para crear un nuevo proceso (hijo).

exec: utilizado para cambiar el proceso actual por otro.

vfork: usado para crear un proceso nuevo, que comparte el espacio de direcciones del padre.

clone(): llamada al sistema en Linux y es una forma genérica de fork() y pthread_create().

wait: esperar por el término de la ejecución de algún proceso hijo.

waitpid: usado para esperar el término de ejecución de un proceso hijo específico.

sleep: suspende la ejecución de un proceso por un tiempo determinado.

kill: usado para matar un proceso o enviar una señal.

abort: usado para terminar con la ejecución de un proceso en forma anormal.

getpid: devuelve el pid del proceso.

getppid: devuelve el pid del proceso padre.

getuid: devuelve el identificador de usuario.

getpgrp: devuelve el identificador de grupo del proceso.

API de Unix para manejo de Procesos

Gestión de Procesos:clone

Nuestro nuevo proceso no verá el espacio de direcciones del proceso padre, ni viceversa.

Con mucha frecuencia, después del clone el proceso llama a exec para lanzar un programa nuevo.

La llamada a exec carga un programa en el espacio de direcciones del proceso y le pasa el control, perdiéndose el proceso llamante.

Si un proceso quiere lanzar un programa sin desaparecer, lo que hace es llamar a clone y que el hijo llame a exec (servicios).

Gestión de Procesos:fork

Fork: Crea un proceso hijo. Devuelve 0 al proceso hijo y el PID del hijo al proceso padre. El proceso hijo creado es una copia exacta del padre, excepto que recibe un valor diferente de la llamada fork. Devuelve un valor -1 en caso de no poder crearse el proceso hijo.

ret=fork()

if (ret==-1) {printf(“ERROR”);}

else if (ret==0) {printf(“HIJO”);}

else printf(“PADRE”)

Gestión de Procesos:fork

Todos los procesos tienen un único padre, pero un padre puede tener múltiples hijos.

Existe un proceso especial cuyo PID es 0, este se crea al arrancar el sistema y después de hacer una llamada fork se convierte en el proceso intercambiador (swapper), el proceso hijo se llama init y su PID vale 1. Este se encarga de arrancar los demás procesos que requiere el sistema.

Usando fork() crear (duplicar) un proceso #include <sys/types.h>#include <sys/wait.h>#include <stdio.h>#include <unistd.h>

void main(void){ pid_t pid; int i; int n = 10;

for (i = 0; i < n; i++) { pid = fork(); if ( pid != 0 ) {

printf("\n\n*********************** ITERACION %d **************\n",i); printf("Recien creado: %d\n",pid); printf("Creado por: %d\n",getpid()); printf("*****************************************\n");

break; } }

printf("\n\n-------------------------FINAL DEL BUCLE -------------------------\n"); printf("Finalizando bucle de: %d\n",getpid()); printf("....padre = %d\n", getppid());}

Código que

Ejecuta

el pro

ceso

padre

Código que ejecutael proceso hijo

Gestión de Procesos:PID Cuando un proceso muere libera su pid y se puede

asignar a cualquier nuevo proceso.

En Linux 2.6 el PID se almacena en un entero y permite teoricamente hasta 2147483647(int 32bits=2^(31) +bit signo) procesos.

cat /proc/sys/kernel/pid_max ->32768 (por defecto)

echo 10000001 > /proc/sys/kernel/pid_max (hasta 1 Millón)

Con frecuencia se llega antes a la limitación de cota de descriptores, ya que cada proceso consume al menos 3 descriptores (ES, SS, SE)

cat /proc/sys/fs/file-max ->101815(por defecto)

Gestión de Procesos:estados

El tiempo de vida de un proceso se puede dividir en un conjunto de estados.

En un sistema monoprocesador un proceso no esta continuamente ejecutándose, su estado irá cambiando según unas reglas bién definidas.

En el siguiente gráfico veremos cual es la transición de procesos en UNIX/Linux y procederemos a su explicación:

Gestión de Procesos:estados1.-Ejecutándose en modo usuario: tiene el control del

procesador mientras dura el quanto o no realice una llamada al sistema.

2.-Ejecutándose en modo kernel: Cuando el proceso realiza una llamada a sistema, el proceso cambia de estado y pasa ejecutar código de área de kernel. Cuando termina:

Termina la tarea interrupción (iret) vuelve a la siguiente instrucción que la llamó.

Si termina el quanto se hace un cambio de contexto, pasando el siguiente proceso a modo usuario

Si carece de algún recurso->Estado dormido

Si termina con exit->Estado zombi

Gestión de Procesos:estados

3.-Planificado en memoria: tiene reservado los recursos de sistema que necesita. El proceso no se esta ejecutando, esta en cola de "listo para ejecutarse" esperando a que el planificador de tareas(scheduler) se lo permita.

4.-Dormido en memoria: El proceso esta durmiendo cargado en memoria, ya que esta esperando que se complete una operación (E/S,tiempo de espera(timer)(ejm:sleep 10),espera de recibir un evento o mensaje)

Nota: No puede haber un proceso, ejecutándose en modo usuario y kernel a la vez.

Gestión de Procesos:estados5.-Planificado en swap: Esta en memoria secundaria,listo para

ejecutarse, pero el intercambiador (proceso 0 ó swapper) debe cargar el proceso en memoria antes de que el planificador(scheduler) pueda ordenar que pase a ejecutarse.

6.-Dormido en swap: El proceso esta durmiendo y el intercambiador ha descargado el proceso hacia una memoria secundaria para dejar espacio en la memoria principal donde poder cargar otros procesos.

7.-El proceso esta volviendo del modo superusuario al modo usuario, pero el planificador se apropia del proceso y hace un cambio de contexto, pasando otro proceso a ejecutarse en modo usuario.

Gestión de Procesos:estados8.-El proceso acaba de ser creado(con fork) y está en un

estado de transición; el proceso existe, pero ni está preparado para ejecutarse, ni durmiendo. Este estado es el inicial para todos los procesos, excepto el proceso 0.

9.-El proceso ejecuta la llamada exit y pasa al estado zombi. El proceso libera todos los recursos pero mantiene la entrada en la Tabla de Procesos. No termina de morir, esperando la notificación por parte del padre, de que ha recogido el registro que contiene el código de salida y su estado. Es un estado temporal. En caso de que el proceso padre muera antes de que finalice el hijo, será el proceso init quién asuma su paternidad.

Gestión de Procesos: estados1- Para ver un proceso en ejecución, bastaría con ejecutar ps –aux y

localizar en la salida del comando el proceso “ps”, que debería estar en

ejecución.

2- Si compilamos “running.c” con la orden “gcc –o running running.c” y

ejecutamos el programa “./running” también veremos un proceso en

ejecución continuada.

3-Con el programa “waiting.c” que tiene un getchar(), el programa

simplemente espera una entrada y está Sleeping. Si se le intenta enviar a

segundo plano “./waiting &” el sistema nos informa que el proceso pasa a

estado “T” (stopped) por que en segundo plano no puede recibir nada por

stdin.

Gestión de Procesos: estados4-”ej_fork.c” : El padre trabaja mientras que el hijo acaba.

Esto resulta en: Padre con estado “R” e hijo con estado “Z” <defunct>

Si hiciésemos un CTRL+Z el padre pasaría a estar T (stopped).

Si hacemos kill -9 padre, el hijo muere también

Gestión de Procesos: ciclo de vida

La vida de un proceso comienza con la llamada al sistema de fork, desde el shell por ejemplo con ./a.out :

1.-Con la llamada a fork se crea el proceso, iniciándose la información de contexto y asignando un PID al proceso hijo a.out. Su proceso padre será el "shell".( Un proceso no se crea si: no puede encontrar el programa, falta de memoria, se ha sobrepasado el número de procesos que se puede crear...)

2.-El proceso pasa a estado "listo para ejecutarse".


3.-Existe una función "scheduler" o "planificador" que en función de la política , se encarga de seleccionar a un proceso de la lista de "listo para ejecutarse".

4.-Un vez seleccionado el proceso a ejecutarse por el "planificador", se llama a la función "dispatcher" que se encarga de pasar a estado de ejecución a dicho proceso, restaurando su información de contexto.


5.-En ejecución se pasa de modo usuario a modo supervisor a través de una llamada a sistema o interrupción (cada vez que se necesita ejecutar alguna rutina del sistema operativo tal como una operación de E/S para escribir un mensaje en pantalla...). En modo usuario, se verifica la zona de memoria a la que se accede, no sobrepase su área de programa de usuario (zona datos e instrucciones) y no modifica el área del Sistema Operativo(virus). Una vez finalizada la ejecución de la rutina de E/S, el S.O devuelve el control al programa de usuario, pasando a modo usuario.

printf(“ejemplo”) (modo ususario)->llamada a sistema write(modo kernel)


6.-En caso de espera de un proceso por alguna operación de E/S , por un evento de otro proceso, o un timer(intervalo de tiempo), el planificador envía al proceso a “estado durmiendo”. Para lo cual el planificador selecciona el siguiente proceso a ejecutar y el dispatcher lo pasa a estado de ejecución. Una vez que la razón por el que un proceso esta "durmiendo" finalice el planificador pasa a estado "listo de ejecución".

7.-Los procesos tienen un quanto de tiempo de ejecución para el uso equitativo de la CPU. Sabiendo que los procesos más prioritarios tendrán mayor número de quantos.


8.-En caso de que la memoria esté saturada y haya necesidad de cargar un programa más prioritario en memoria, el swapper o intercambiador se encarda de pasar un proceso menos prioritario a memoria secundaria guardando la información necesaria para volverlo a cargar en memoria, y una vez finalizado la ejecución de un proceso, de pasarlo a memoria. Este transiego de memoria a disco y disco a memoria se le denomina "swapping de procesos".

9.-Un proceso puede acabar su ejecución si :

llamada al sistema de fin_programa: exit

Otro proceso le manda un SEÑAL de SIGKILL: kill -9 nºPID


En ambos casos pasa a estado zombi. El proceso ya no existe pero deja para su proceso padre un registro (código de salida y algunos datos estadíticos tales como tiempo de ejecución)

Para que un proceso pueda matar a otro es necesario que tenga privilegios, un proceso padre puede matar a sus procesos hijos.


Los procesos se comunican habitualmente realizando llamadas a sistema de "esperar_hijo", que permite al proceso padre sincronizarse con la finalización de sus hijos y obtener la información de cómo han acabado los hijos por medio de algún tipo de código de retorno.

ret=fork()

if (ret==-1) {printf(“ERROR”);}

else if (ret==0) {printf(“HIJO”);}

else {wait(&estado);printf(“PADRE”)}

Gestión de Procesos: Tabla de Procesos

El sistema operativo mantiene una tabla de procesos, dentro de la cual se almacena un Bloque de Control de Proceso o PCB (Process Control Block). Un PCB tiene los siguientes campos:

Información de identificación:

PID(Process IDentifier) y PPID(Parent Process Identifier) para relaciones padre-hijo.

UID (User Identifier) y GID (Group Identifier) :determina los privilegios del proceso


Información de control para gestionar el proceso:

Planificación y estado:

Estado: TASK_RUNNING(ejecutándose o preparado) TASK_INTERRUPTIBLE(dormido, pero admite

cualquier señal) TASK_UNINTERRUPTIBLE ( dormido, pero

sólo responde a la señal que espera) TASK_STOPPED( stopped o traced) TASK_ZOMBIE(esperando un wait() )

Evento por el que espera si esta bloqueado


Información de control para gestionar el proceso:

Planificación y estado:

Temporizadores que contabilizan el tiempo de CPU utilizado en modo kernel y modo usuario

Descripción de los segmentos de memoria asignados al proceso.

Estado del procesador: valor de los registros de la cpu


Punteros para estructurar los procesos en colas. Para que el planificador las gestione.

Comunicación entre procesos:

Descriptores de eventos: Qué eventos despertarán al proceso.

Campo de señales: enumera las señales recibidas pero todavía no tratadas.

Gestión de Procesos: Cambio de Contexto

Cuando se esta ejecutando un proceso, se dice que el sistema se esta ejecutándo en el contexto de un proceso.

Se denomina cambio de contexto a la acción de cargar el procesador con el contexto del proceso que pasa a ocupar la CPU, salvando previamente el contexto del proceso que abandona la CPU en su PCB.

Gestión de Procesos: Cambio de Contexto

Se provoca un cambio de contexto cuando:

fin quanto

finaliza el proceso

operación de sincronización-tenga que esperar

llamada al sistema (operación de entrada/salida) mediante el mecanismo trap (interrupción software) queda bloqueado a la espera de finalizar la operación.

interrupción hardware que desbloquee un proceso más prioritario.

la llegada de un proceso más prioritario

Gestión de Procesos: Planificador de Procesos:Unix,tradicional

Los PCBs estarán ordenados en la colas de preparados de acuerdo a la política de planificación utilizada.

El planificador se encarga de decidir a quién dará la tajada (slice o quanto) de tiempo.

En Unix se utiliza el algoritmo de planificación que se denomina Round Robin Multinivel con Prioridades Dinámicas.


1º aproximación: Algoritmo Round-Robin

Cola FIFO de procesos planificados

Funcionamiento: Se coge el proceso más antiguo y una vez ejecutado su quanto, vuelve a introducirse en la cola.

Ventaja: Es un algoritmo justo.

Desventaja: los procesos con mayor prioridad se ejecutarán con la misma frecuencia que los menos prioritarios


2º aproximación: Algoritmo Round-Robin Multinivel

Diferentes colas FIFO, cada una para procesos de la misma prioridad.

Funcionamiento: Se coge el proceso más antiguo de la cola de mayor prioridad. Sólo si la cola de mayor prioridad esta vacía pasamos a la de siguiente menor prioridad.

Ventaja: Óptimo para sistemas de tiempo real

Desventaja: No justo, puede haber procesos que jamás se ejecuten.

Gestión de Procesos: Planificador: Unix tradicional

3º aproximación: Algoritmo Round-Robin Multinivel con

Prioridades Dinámicas

Diferentes colas FIFO, cada una para procesos de la misma prioridad. La prioridad tiene un componente estático(nice de 19 a -20) y otro dinámico (según el proceso va ejecutando slices, su prioridad dinámica va cayendo, y si no emplea el procesador su prioridad dinámica sube).

Funcionamiento: Por cada segundo de tiempo se recalculan las prioridades y se reajustan las colas. Se coge el proceso más antiguo de la cola de mayor prioridad. Sólo si la cola de mayor prioridad esta vacía pasamos a la siguiente menor prioridad.

Ventaja: Es justo

Desventaja: El tiempo recalculando las prioridades dinámicas

Gestión de Procesos: Planificador:Unix,tradicional


Prioridades Dinámicas

Los procesos tienen prioridades.

Existe una cola para cada una de la prioridades.

Se atiende primero a los procesos de la cola -32, en caso de estar vacía se pasa al siguiente nivel hasta llegar a 31.

En caso de no haber procesos planificados, se ejecuta el proceso idle

Prioridad Total=Prioridad Base + (uso de cpu/2) + Valor Nice

Prioridad Total se calcula cada segundo

La Prioridad Base será un valor negativo, si proceso se ejecuta en modo kernel y positivo si modo usuario, y depende de la prioridad del padre.

Gestión de Procesos: Planificador:Unix,tradicional


Prioridades Dinámicas.

El Valor Nice:

Es un valor comprendido entre -20 a 19. Por defecto es 0. Un usuario normal únicamente puede bajar la prioridad de

su proceso ejecutándolo:

nice -n 19 yes>/dev/null &

[1] 2546 Un superusuario puede aumantar/reducir la prioridad de un

proceso:

Cuando va a ejecutar 1º vez: nice -n -20 yes>/dev/null & Una vez en ejecución: renice -20 2546

Ordenes relativas a procesos: ps

Lista los procesos activos en el sistema Examinar las opciones en el manual (castellano):

a: información de los procesos de todos los usuarios e: variables de entorno u: muestra los procesos de un solo usuario r: sólo procesos en ejecución x: todos los procesos del sistema l: salida larga

Ejemplos: ps –aux, ps -edaf

Ordenes relativas a procesos: ps

Campos de salida: UID (id. de usuario), PID (id. de proceso), PPID (padre), %CPU (índice de uso del procesador), START (hora de inicio), TTY (terminal en la que se ejecuta el proceso), TIME (tiempo acumulado de CPU consumido por el proceso) PRI (prioridad de ejecución, dinámica, a menor nº mayor prioridad) NI(Valor del NICE) SIZE (tamaño en bloques) RSS (tamaño en Kb del programa en memoria) STAT (Estado del proceso):

D:Durmiendo ininterrumpiblemente R:En ejecución en ese momento S:Durmiendo Z:Zombie T:Parado W: Swapped out (sin páginas residentes) N:Nice positivo

Ordenes relativas a procesos: ps/top gcc –o running running.c cp running running1 (dos copias del ejecutable) ./running & + ./running1& jobs ps –edaf Top S (intervalo) : 0.5 / 1 R (renice) -20 running (máxima prioridad) R (renice) -5 running1 K (kill) U (user) Al hacer el renice el proceso con el número más negativo, consume más CPU y

su tiempo de ejecución crece. Los dos procesos colapsan el 99% de uso de la CPU. El ratón va lento.

Ordenes de procesos: nice & renice Nice –n comando : fija el valor de nice para la ejecución de un cierto proceso Valores válidos de -20 a 19 Los usuarios sólo pueden bajar la prioridad El root puede subir la prioridad a un proceso. Ejemplo: lanzar los dos running y running1 con nice diferente y con el

comando top visualizar lo que ocurre.

Renice –n PID: Modifica la prioridad a un proceso ya en ejecución Ejemplo: invertir la ejecución de running y running1, para que el menos

prioritario pase a ser más prioritario (y consuma más CPU).

Ordenes de procesos: sleep, wait, nohup Sleep tiempo (segundos): Demora durante un cierto tiempo el inicio de una

orden o genera una espera durante la ejecución (sleep 3600; who >> registro) &

Wait: cuando en programación shell, nos interesa esperar a que acaben los procesos en background (&) antes de ejecutar la siguiente orden:

Orden1 > archivo1 & Orden2 > archivo2 & Wait Sort archivo1 archivo2

Nohup: Cuando un proceso muere, todos sus subordinados –si los hubiera- mueren también. Al finalizar una sesión (login, konsole) también.

Con nohup, un comando seguirá en ejecución a pesar de que el usuario que lo lanza se haya desconectado. Es interesante redirigir las salidas para capturarlas:

Nohup orden > salida 2>errores &

Ordenes de procesos: kill y señales Kill: envía señales a procesos

Kill –nº_de_señal PID

Un usuario puede eliminar cualquier proceso suyo

El root puede eliminar cualquier proceso

Las señales son sucesos externos a los procesos que tienen un número asociado.

Por defecto se ejecuta la señal 15 SIGTERM (finalización software)

La señal nº 9 SIGKILL provoca la terminación incondicional e inmediata del proceso

Kill -9 PID

Ejemplo: Desde konsole arrancar varios programas y finalizarlos con kill y/o con xkill.

Ordenes de procesos: señales Las señales son mecanismos de comunicación asíncrona de procesos

(interrupciones software que pueden ser enviadas a un proceso para informarle de alguna situación especial)

Permiten al proceso reaccionar a los eventos provocados por ellos mismos o por otros procesos. Puede generarse de diversas maneras:

Excepción Hardware (acceso a página de memoria no asignada= SIGSEGV) CTRL+C (SIGINT) del usuario Llamada a kill (envía esa señal a un proceso) Evento gestionado por el núcleo)

Cuando un proceso recibe una señal hay 3 acciones predeterminadas: Ignorar la señal Invocar una rutina de tratamiento standard (por lo general provocan la terminación del

proceso y generan un core) Invocar una rutina propia (modificada por el proceso)

Procesos: señales de terminación de procesos

Terminación emitida por killSIGTERM15

Terminación no evitableSIGKILL9

Terminación anormalSIGABRT6

Terminación con coreSIGQUIT3

CTRL+C por tecladoSIGINT2

Terminación del proceso, desconexiónSIGHUP1

DescripciónNombreNúm.

Procesos: señales de excepción hardware

Dirección de memoria no válidaSIGSEGV11

Floating Point ExceptionSIGFPE8

Punto de parada en programaSIGTRAP5

Instrucción ilegalSIGILL4


Procesos: señales de suspensión o seguimiento en la ejecución de procesos

Emisión de CTRL+ZSIGTSTP20

Suspensión de procesoSIGSTOP19

El proceso se lleva a primer o segundo planoSIGCONT18

Terminación de un hijoSIGCHLD17


Procesos: señales de gestión de alarmas, SAI, entradas/salidas

Datos urgentes para los socketsSIGURG23

Fallo de alimentaciónSIGPWR

Fin del tiempo de un timerSIGALRM2

Límite de CPU (tiempo) sobrepasadoSIGXCPU24


Procesos: Control de trabajos (bg, fg, jobs, CTRL+Z)

1-Desde un terminal en X lanzamos un proceso (mozilla)

2-El terminal queda bloqueado

3-Con CTRL+Z paramos el proceso

4-Con ps vemos que el proceso esta sTopped

5-Con “jobs” vemos la lista de tareas de esa terminal

6-Con bg lo mandamos a segundo plano

7-Con fg + nº de trabajo lo traemos a primer plano de nuevo (bloqueamos terminal)

[linux] gestion de procesos

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