Procesy

Algorytm Fork

Autor: Bartłomiej Kijanka

• 1.0 Interfejs programisty
  • 1.1 Funkcja systemowa fork()
  • 1.2 Funkcja systemowa vfork()
  • 1.3 Funkcja systemowa clone()
• 2.0 Implementacja: funkcja do_fork()
  • 2.1 Flagi Klonowania
• 3.0 Algorytm do_fork

1.0 Interfejs programisty

1.1 Funkcja systemowa fork()

Fork jest jedną z najważniejszych funkcji systemowych. Jej zadaniem jest stworzenie nowego procesu, potomka procesu wywołującego. Interfejs to:

pid_t fork();

Zwracaną wartością jest PID potomka w procesie macierzystym i 0 w procesie potomnym (proces potomny rozpoczyna się, jakby sam wywołał forka i czekał na rezultat) bądź -1 w przypadku niepowodzenia. Proces potomny dziedziczy cały kontekst (np. tablicę deskryptorów, procedury obsługi sygnałów itd.) z procesu macierzystego. Typowym przykładem użycia tej funkcji jest:

1.2 Funkcja systemowa vfork()

1.3 Funkcja systemowa clone()

Funkcja ta jest rozszerzeniem forka o możliwość dzielenia zasobów procesu, czyli udostępnienia synowi takich zasobów ojca jak segmenty pamięci, tablice deskryptorów plików i obsługi sygnałów. Funkcja clone przyjmuje jako argumenty min. flagi klonowania, określające rozdział zasobów pomiędzy rodzicem a procesem potomnym.

int __clone(int (*fn) (void *arg), void *child_stack, int flags, void *arg)

Funkcje fork i vfork są jedynie szczególnymi przypadkami funkcji clone - pierwsza nie uzywa żadnych flag klonowania, druga korzysta z flagi dzielenia przestrzeni adresowej CLONE_VM.

Opis flag klonowania poniżej.

2.0 Implementacja: funkcja do_fork()

Funkcje systemowe istnieją wewnątrz jądra jako zwykłe funkcje C, z tym, że ich nazwy poprzedzone są prefiksem "sys_". Takie funkcje dla fork , clone i vfork zadeklarowane są w module process.c . Ich zadaniem jest wywołanie funkcji do_fork z odpowiednimi parametrami. Najważniejszym z nich są flagi klonowania.

2.1 Flagi klonowania

Mogą się składać z następujących wartości:

• CLONE_VM - rodzic i potomek korzystają z tej samej przestrzeni adresowej (czyt: wszystke zmienne są dzielone ;).
• CLONE_FS - rodzic i potomek dzielą informację o systemie plików (struktura fs_struct). Wywołanie takich funkcji jak chroot(2), chdir(2), lub umask(2) przez jeden proces spowoduje także zmiany w drugim.
• CLONE_FILES - rodzic i potomek dzielą tablice deskryptorów plików.
• CLONE_SIGHAND - rodzic i potomek dzielą tablicę obsługi sygnałów.
• CLONE_PID - potomek będzie miał taki sam PID jak rodzic; możliwe tylko przy starcie systemu. Wywołanie do_fork z tą flagą przez proces użytkownika spowoduje błąd.
• CLONE_PTRACE - umożliwia śledzenie procesu potomnego.
• CLONE_VFORK - ojciec jest budzony przez potomka przy wywołaniu mm_release (np. w wyniku exit lub exec).
• CLONE_PARENT - wskażnik na ojca w potomku będzie pokazywał na ojca procesu 'klonującego'.
• CLONE_THREAD - ta sama grupa wątków.
• CLONE_SIGNAL = (CLONE_SIGHAND | CLONE_THREAD)

3.0 Algorytm do_fork

1) Sprawdzenie i ustawienie wartości struktury task_struct na czas forkowania :

• Czy w clone_flags nie ma CLONE_PID. Jeśli jest, a proces wywołujący ma PID różny od 0 to kończymy z błędem.
• Alokujemy pamięć dla nowej struktury task_struct; w przypadku niepowodzenia wychodzimy z błędem.
• Kopiujemy informację o procesie macierzystym do nowej struktury p. Pozostanie zmiana wartości niektórych pól.
• Sprawdza się , czy użytkownik nie przekracza limitu procesów RLIMIT_NPROC; Jeśli tak, to błąd.
• Ustawianie początkowych wartości struktury (task_struct *p) nowego procesu. Z ważniejszych:
  • p->did_exec = 0; - jeszcze nie wykonany
  • p->swappable = 0; - nie można go wyrzucić z pamięci
  • p->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE; - nie mozna go przerwać; jest w trakcie tworzenia swoich struktur i wykonanie np. funkcji obsługi sygnału nie miałoby sensu.
• Pobieramy nowy, nieużywany PID (funkcja get_pid z fork.c) dla nowego procesu.
• Jeśli podano flagę CLONE_VFORK to inicjalizujemy strukturę completion (struktura i operacje na niej zdefiniowano w completion.h).

2) Inicjalizacja 'własciwych' danych w task_struct:

• Zerujemy statystyki związane z nową strukturą, (np. ilość odebranych sygnałów), obsługę sygnałów, flagę przywództwa grupie procesów (przywództwo się nie dziedziczy) itd.
• Uruchamiamy zegar czasu rzeczywistego nowego procesu.
  

3) Skopiowanie kontekstu procesu macierzystego; wywoływane są funkcje:

• copy_files(clone_flags, p) - kopiuje tablice deskryptorów rodzica i zwiększa liczbę odwołań do i-nodów plików, do których odnoszą się otwarte w tablicy deskryptory
  
  
• copy_fs(clone_flags, p) - tworzy strukturę fs_struct (informacje o systemie plików; dowiazania do i-nodów głównego i bieżącego katalogu)
  
  
• copy_sighand(clone_flags, p) - kopiuje funkcje obsługujące sygnały
  
  
• copy_mm(clone_flags, p) - przydziela miejsce na strukturę opisującą pamięć i zeruje statystyki dostępu do pamięci. Nie kopiuje jednak zawartości pamięci; zawartość bedzie skopiowana dopiero, gdy powstanie żądanie modyfikacji przez rodzica lub potomka (strategia Copy-on-Write).
  
  

Gdy którakolwiek z tych funkcji zwróci błąd, funkcja do_fork wychodzi z błędem.

4) Kluczowe miejsce algorytmu fork: fizyczne rozdzielenie procesów macierzystego i potomnego. Zajmuje się tym funkcja copy_thread:

• copy_thread(0, clone_flags, stack_start, stack_size, p, regs);
  
  

Od tego miejsca istnieją już dwa osobne procesy: ojciec, który kontynuuje wykonanie funkcji i potomek, który będzie miał złudzenie, że sam właśnie wykonał forka. Funkcja ta zadba, żeby potomek otrzymał z tego 'wywołania' wartość 0. Funkcja copy_thread zdefiniowana jest w pliku process.c i działa bezpośrednio na rejestrach komputera.

5) Kończenie ustawień pól i wstawienie nowego procesu do struktur systemowych:

• Włączamy wymianę pamięci (ang. swapping), wyłączane dla nowego procesu na początku do_fork.
• Określany jest rodzaj sygnału przesyłanego procesowi macierzystemu procesu przez potomka przy jego zakończeniu.
• Na zmienną retval (której wartość jest zwracana przez do_fork) przypisany zostaje PID nowego procesu.
• Jeśli podano flagi CLONE_PARENT i CLONE_THREAD, to ojcem nowego procesu zostanie ojciec procesu wywołującego fork.
• Jeśli otrzymaliśmy flagę CLONE_THREAD to dodajemy proces/wątek do grupy wątków procesu macierzystego.
• SET_LINKS(p); - makro z pliku sched.h; dopisuje nowy proces do dwukierunkowej listy cyklicznej procesów.
• PID nowego procesu zostaje wstawiony do haszowanej tablicy PID-ów (funkcja hash_pid())
• Zwiększamy liczbę zadań w systemie (zmienna nr_threads).
• Zmieniamy stan procesu potomnego (p->state) na TASK_RUNNING oraz dodajemy go do kolejki procesów aktywnych. Tym wszystkim zajmuje się funkcja wake_up_process();
  
  

6) Jeśli jedną z flag była CLONE_VFORK - np w wyniku wywołania vfork(), to proces macierzysty zostaje w tym momencie wstrzymany do chwili wywołania przez potomka mm_release. (zwolnienia przestrzeni adresowej)

7) Zwracamy wartość (PID nowego procesu)