Жизненный цикл процесса

Понятие процесса в UNIX существенно отличается от аналогичного понятия в других популярных ОС. Если в MS-DOS, Windows и других системах новый процесс создается только при запуске программы, то в UNIX создание процесса и запуск программы – это два совершенно разных действия. При этом процесс в некотором роде «более первичен», чем программа. Если по стандартному определению (см. п. 4.2.1) процесс есть работа по выполнению программы, то в UNIX будет более уместно сказать, что программа – это один из ресурсов, используемых процессом.

Существует единственный способ создания процесса в UNIX, и этот способ заключается в вызове функции без параметров fork(). Эта функция создает новый процесс, который является точной копией процесса-родителя: выполняет ту же программу, наследует такие же хэндлы открытых файлов и т.д. При этом содержимое областей памяти процесса копируется. Единственным различием является идентификатор процесса (pid) – целое число, уникальное для каждого процесса в системе. После завершения создания оба процесса, и родитель, и потомок, будут выполнять одну и ту же команду, следующую в программе после вызова fork. Однако при этом функция fork возвращает процессу-родителю значение pid порожденного потомка, а потомку возвращает значение 0. Проверка возвращенного значения – простейший способ для процесса определить, «кто он такой» – родитель или потомок.

Типовой фрагмент программы на C может выглядеть примерно так:

pid = fork(); // Создание нового процесса
if (pid == -1) // Процесс не создан

{ обработка ошибки создания процесса}

else if (pid == 0) // Это порожденный процесс

{ операторы, выполняемые процессом-потомком }

else // Это процесс-родитель

{ операторы, выполняемые процессом-родителем }

В принципе, оба процесса могут в дальнейшем выполнять команды из одного и того же файла программы. Чаще, однако, процесс вскоре после создания начинает выполнять другую программу. Для этого используется одна из функций семейства exec. Несколько функций, имена которых начинаются с exec, различаются деталями – в каком формате передаются параметры командной строки, следует ли использовать поиск файла программы по переменной PATH и т.п. Каждая из этих функций запускает указанный файл программы, однако при этом не порождается новый процесс, просто текущий процесс меняет выполняемую программу. При этом полностью перестраивается заново контекст процесса.

Механизм создания новых процессов один и тот же как для процессов пользователя, так и для системных процессов. Единственным исключением является самый первый процесс, имеющий идентификатор 0. Он порождает второй системный процесс, который называется INIT и имеет идентификатор 1. Все остальные процессы в системе являются потомками INIT.

Для нормального завершения процесса используется функция exit(status). Целое число status означает код завершения, заданный программистом, при этом значение 0 означает успешное завершение, а ненулевые значения – разного рода ошибки и нестандартные случаи.

Процесс-потомок полностью независим от родителя, и завершаются эти процессы независимо друг от друга. Тем не менее, процесс-родитель имеет возможность синхронизироваться с моментом завершения потомка (проще говоря, подождать этого завершения). Для этого родитель выполняет вызов функции wait:

pid = wait(&status);

Эта блокирующая функция переводит вызывающий процесс в ожидание до момента завершения любого из потомков, порожденных этим процессов. Так работает, например, интерпретатор команд UNIX, который запускает команду, введенную с консоли, и ожидает ее завершения. Функция wait возвращает pid завершившегося потомка, а в переменной status передает код завершения.

Если процесс-потомок завершает свое выполнение до того, как родитель вызвал функцию wait, то завершившийся процесс переходит в состояние, которое принято называть «зомби». Фактически от процесса остается лишь запись в таблице процессов, содержащая код завершения и информацию о затраченном процессорном времени. Все ресурсы, занимавшиеся процессом, освобождаются. Если в дальнейшем родитель все же вызовет wait, то после передачи кода завершения «зомби» будет вычеркнут из таблицы, на чем и закончится жизненный цикл процесса.

Возможна также ситуация, когда процесс-родитель завершается до того, как будет завершен его потомок. Поскольку процесс не должен оставаться без родителя, «сирота» будет «усыновлен» системным процессом INIT.

Создание нового процесса в системе UNIX является обычным способом решения самых разнообразных проблем. В частности, в UNIX отсутствуют функции асинхронного ввода/вывода, они просто не нужны. Если программист хочет, чтобы операция ввода/вывода выполнялась параллельно с работой основной программы, ему достаточно запустить новый процесс и поручить ему эту операцию. Вместо асинхронного ввода/вывода используется асинхронный параллелизм процессов.