システム・プログラム
電子・情報工学系
新城 靖
<yas@is.tsukuba.ac.jp>
このページは、次の URL にあります。
http://www.coins.tsukuba.ac.jp/~yas/classes/syspro-2003/2003-04-28
あるいは、次のページから手繰っていくこともできます。
http://www.coins.tsukuba.ac.jp/~yas/
http://www.is.tsukuba.ac.jp/~yas/index-j.html
プロセッサ(ＣＰＵ)が実行できる機械命令の列がプログラムである。 プロセスとは、プログラムがオペレーティング・システムによってメモリに読 み込まれ、やはりオペレーティング・システムの管理下にあるプロセッサによっ て実行の対象になったものである。
図１ プログラムとプロセス
プロセスには、保護、資源割り当てのような機能がある。 あるプロセスが 暴走 して他のプロセスを破壊したり、あるいは、意図的に他のプロセスからデータ を盗もうとしたとしても、それを禁止してプロセスを守ることをプロセスの保 護という。プロセスを保護するためには、プロセスが直接他のプロセスのメモ リなどにアクセスできないようにプロセスとプロセスを隔離する。Unix では、 基本的にはプロセスごとに独立した論理アドレス空間を割り当てることで実現 している。 資源とは、 メモリ、ディスク、プリンタ、ディスプレイ、キーボードなど コンピュータが処理を進める上で利用価値のあるものを総称である。 プロセスは、資源を公平に配分するための単位としての役割がある。/bin/ls や/usr/bin/ls などのファイルに保存されている
)
がメモリに読み込まれて実行される。
Xウインドウでメニューから ktermを起動すると、ktermのプロセスとその端末
の中で動くシェルのプロセスの2つが作られる。
ps(process)
コマンドを実行すると、プロセスの一覧を表示する。
psコマンドの表示の例を示す。
psコマンドの実行結果は1行が1プロセスである。 左から、以下のような意味がある。---------------------------------------------------------------------- % psPID TTY TIME CMD 21631 pts/5 00:00:00 tcsh 21714 pts/5 00:00:00 emacs 21718 pts/5 00:00:00 cat 21719 pts/5 00:00:00 ps %
----------------------------------------------------------------------
pts/5は
/dev/pts/5の意味。
TIME
COMMAND
プロセスにはメモリやCPUなどの資源が割り当てられる。 これはpsコマンドに-lオプションや -uをつけると表示される。---------------------------------------------------------------------- % ls -l /dev/pts/5
---------------------------------------------------------------------- % ps -l
TIME は過去に利用した CPU 時間の割合、
SZ は、プロセスが確保しているメモリ、
RSSは、そのうちメインメモリに入っている部分である。
S は、
プロセスの
状態
(STATe)
であり、次のようなものがある。
R (runnable)
D (Disk)
S (Sleep)
Z (Zombie)
T (Traced)
W がある。BSD系には、
S の他に、I (Idle) (20秒以上sleep している)
がある。
Unix では、後で説明する fork() システムコールを 発行すると、新しくプロセスが作られる。 （Unix では、これ以外の方法ではプロセスは作られない。） この時、「もとのプロセス」の「親プロセス」という。 プロセスの親プロセスのプロセス識別子は、psコマンドに「-l」オプションを つけるとPPIDのところに表示されている。
図２ プロセスの資源と属性
ps(process)
コマンドは、引数を付けないで実行すると、
プロセス識別子、端末名、
CPU時間、コマンド名を表示する。
ただし、そのままでは、psコマンドを実行した端末と結びつけられているプロ セスしか表示しない。 「-x」オプションを使うと、他の端末に結び付いているプロセスも表示する。---------------------------------------------------------------------- % ps
プロセスが使っているメモリの大きさ (---------------------------------------------------------------------- % ps x
SZ、VSZ、RSS)、親プロセスの PID
(PPIID(Parent PID))優先順位(PRI(priority))
などの
プロセスの資源と属性を表示する。
Linux の ps は、ps -l と ps l で動きが若干異なる。-l は、System V 風、 l は、BSD 風である。 ps l, ps -l と同様に詳しい表示をする。---------------------------------------------------------------------- % ps -l
全てのプロセスを表示する。System V 風。 端末と結び付いている全てのプロセスを表示する。 x も付けた方がよい。 全てのプロセスを表示する。BSD風。---------------------------------------------------------------------- % ps u
a,u, x の組合わせ。全てのプ
ロセスを表示する時に、よく使われる。
プロセスを殺す方法には、次のような方法がある。
^Dを打つと、キーボードから EOF (End Of File) が送られ、cat プ ログラム自ら自発的に終了する(キーボードには、普通のファイルと違い、終 わりとう考え方はないが、OS がそういう仕組みを提供している)。 ^Cを打つと、cat は、自発的に終了するのではなくて、強制終了さ せれている。---------------------------------------------------------------------- % cat
^Cと同様に
^\ もあるが、
デバッグ用にcore という名前のファイルができることが異なる。
coreは、実行中のプロセスのメモリの内容をファイルに保存したものである。
注意：以下の実験を行う場合、core を作る実験をする時には、
gnome-terminal ではなく、kterm を実行するとよい。標準の端末
(gnome-terminal) では、^\ では、漢字変換機能の on/off に割り当
てられている。
kterm の中で次の実験を行う。% kterm &
core を作る実験をする時には、limit コマンドでcoredumpsize を unlimited にする必要がある。標準では、0 kbytes になっている。---------------------------------------------------------------------- % limit coredumpsize unlimited
% limit coredumpsize
coreファイルはプログラムのデバッグに使える。
どのような関数(この例では番地だけ)が呼び出された結果、プログラムが終了 したかがわかる。---------------------------------------------------------------------- % gdb /bin/cat core
普通のデバッグ(自分が作ったプログラム)では、いちいち core を作る必要は ない。単にデバッガの中からプログラムを実行すればよい。強制的に core を 作るのは、普通、既に実行している他人が作ったプログラムを解析する時など に限られる。
^C や ^\ で死なないプロセス
を殺すには、kill コマンドを使う。
プロセス識別子pidのプロセスを殺す。 オプションなしでkill コマンドを使っても死なないプロセスがある。 その場合はオプション% kill pid
-KILLをつけてkillコマンドを
実行する。
これでほとんどのプロセスは死ぬ。（ＯＳの都合上（ディスクのＩ／Ｏ完了の 報告など）で、死なないプロセスもある。）% kill -KILL pid
----------------------------------------------------------------------
1: /*
2: arg-print.c -- mainの引数を表示するプログラム
3: ~yas/syspro/proc/arg-print.c
4: Start: 1997/04/21 18:23:13
5: */
6:
7: main( int argc, char *argv[], char *envp[] )
8: {
9: int i ;
10: printf("&argc == 0x%x, argc == %d\n", &argc, argc );
11: printf("&argv == 0x%x, argv == 0x%x\n",&argv, argv );
12: for( i=0 ; argv[i] ; i++ )
13: printf("argv[%d]==0x%x, \"%s\"\n",i,argv[i],argv[i] );
14: }
----------------------------------------------------------------------
実行例。
argv[0] には、プログラムの名前が含まれている。argv[1] 以降に、普通の意 味での引数が含まれている。argc には、プログラムの名前まで含めての引数 の数が含まれている。argv[0] からargv[argc-1] まで参照できる。 argv[argc] は、参照してはいけない(0が入っているはずではあるが)。---------------------------------------------------------------------- % cp ~yas/syspro/proc/arg-print.c .
図３ argvの構造
char *argv[] は、*argv[0] と書いたら char 型(8ビットの
整数)という意味である。
C言語で char *p と宣言した時、*p と p[0] は、同じである。 (p+1) と p[1] も同じである。
２次元配列は、Ｃ言語では配列の配列として表される。
char array[10][20];これで、全部で 10*20*1 == 200 バイトのメモリが確保される。array[i][j] の番地を計算するには、次のようになる。
(1) arrayの先頭番地を求める。 (2) (1)の値に + i*20 を加える。 (3) (2)の値に j を加える。array[10][20] のうち、最初の [10] は、番地の計算には使われない。
main() の引数で char *argv[] と char **argv は、同じ意味になる。 argv[i] は、 *(argv+i)、 argv[i][j] は、*(*(argv+i)+j) という意味になる。
char *argv[] で、argv[i][j] と書いた時の番地の計算の仕方は、次のように なる。
(1) argv の番地の内容を load する。 (2) (1)の値に + i*4 を加え、その値の番地の内容を load する。 (3) (2)の値に j を加える。２次元配列と違って、番地を求めるだけで、間に load が２回入る所に注意す る。２資源配列だと番地を計算する時には、load は出てこない。
(main の)引数で、char *argv[] と char **argv は、よいが、char argv[][] は、伝統的にはエラーになる。argv[i][j] を計算しようとすると、i を何倍 してよいのか計算できないので。しかし、受け付けるコンパイラもある。
C 言語で、char a[10] とした時には、10 バイトの領域が確保される。しかし、 char *p 宣言しただけでは、ポインタ自身(4バイト)の領域は確保されるが、 その先の領域は確保されない。
ポインタは、必ず番地をセットしてから使う。次のプログラムは、誤りである。
main()
{
char *p ;
*p = 'A' ;
}
環境変数は、プログラムからは、main() の３番目の引数、外部変数 environ 、 ライブラリ関数 getenv() でアクセスできる。メモリ中の構造は、argv と同 じである。各文字列は、「変数名=値」の形式になっている。---------------------------------------------------------------------- % printenv LANG
----------------------------------------------------------------------
1: /*
2: env-print.c -- 環境変数を表示するプログラム
3: ~yas/syspro/proc/env-print.c
4: Start: 1997/05/05 16:42:22
5: */
6: extern char **environ ;
7:
8: main( int argc, char *argv[], char *envp[] )
9: {
10: int i ;
11: printf("envp == 0x%x\n",envp );
12: printf("environ == 0x%x\n",environ );
13: for( i=0 ; envp[i] ; i++ )
14: printf("envp[%d]==0x%x, \"%s\"\n",i,envp[i],envp[i] );
15: }
----------------------------------------------------------------------
実行例。
main の第３引数 envp と大域変数 environ は、同じ値である。環境変数には、 ホーム・ディレクトリの名前を保持している HOME、コマンドを検索するディ レクトリの名前のリストを表す PATH、標準的に使われるエディタを表す EDITOR などがある。---------------------------------------------------------------------- % cp ~yas/syspro/proc/env-print.c .
----------------------------------------------------------------------
1: /*
2: home-print.c -- 環境変数 HOME を表示するプログラム
3: ~yas/syspro/proc/home-print.c
4: Start: 1997/05/05 16:42:22
5: */
6:
7: #include <string.h> /* strncmp() */
8: #include <stdlib.h> /* getenv() */
9:
10: extern char **environ ;
11:
12: main()
13: {
14: int i ;
15: char *homedir ;
16: for( i=0 ; environ[i] ; i++ )
17: {
18: if( strncmp(environ[i],"HOME=",5)==0 )
19: {
20: homedir = environ[i] ;
21: printf("0x%x, [%s]\n", homedir, homedir );
22: break;
23: }
24: }
25: homedir = getenv("HOME");
26: printf("getenv(\"HOME\")== 0x%x, [%s]\n", homedir, homedir);
27: }
----------------------------------------------------------------------
実行例。
環境変数 HOME の値を調べるは、外部変数 environ の中から "HOME=" という 5 文字から始まるものを探す。これには、 str"n"cmp() を使うと便利である。---------------------------------------------------------------------- % cp ~yas/syspro/proc/home-print.c .
自分でループで探さなくても、getenv() ライブラリ関数を使う方法がある。 この場合、"HOME=" の 5 文字がスキップされた値(0xbffffa9d+5== 0xbffffaa2)が得られる。
ホーム・ディレクトリにあるファイル、たとえば、.cshrc をアクセスするに は、この環境変数の値の後ろに "/.cshrc" を追加すればよい。ただし、単に strcat() してはいけない。別の長さが十分なバッファを用意して、それにコ ピーする。
homedir = getenv("HOME");
p = malloc( strlen(homedir)+strlen("/.cshrc")+1 );
strcpy( p, homedir );
strcat( p, "/.cshrc" );
csh の特殊な機能として、シェル変数 path (小文字)を変更すると、環境変数 PATH (大文字)が変化する。シェル変数と環境変数が連動しているものには、 他に、term, user, home などがある。
UNIX では、新たにプロセスを作る時に、自分のコピーしか作れない(fork()シ ステム・コール)。元のプロセスを親プロセス、作られたプロセスを子プロセ スという。
現在のプログラムの実行はそのまま続けて、新しくプログラムを実行するには、 次のようにする。
----------------------------------------------------------------------
1: /*
2: fork-hello.c -- 画面に文字列を表示するプログラム
3: ~yas/syspro/proc/fork-hello.c
4: Start: 2001/05/13 23:19:01
5: */
6:
7: main()
8: {
9: fork();
10: fork();
11: fork();
12: printf("hello\n");
13: }
----------------------------------------------------------------------
実行結果
fork() がなければ、１回しか表示されないはずである。１回の fork() でプ ロセスが２つに分かれる（新しいプロセスが１つ増える。）fork() した先の プロセスもさらに分かれるので、全部で２の３乗個のプロセスに分かれる。---------------------------------------------------------------------- % cp ~yas/syspro/proc/fork-hello.c .
----------------------------------------------------------------------
1: /*
2: exec-date.c -- 実行中のプロセスのプログラムをdateプログラムに切替える
3: ~yas/syspro/proc/exec-date.c
4: Start: 2001/05/13 23:25:49
5: */
6:
7: #include <unistd.h>
8:
9: extern char **environ;
10:
11: main()
12: {
13: char *argv[2] ;
14: argv[0] = "/bin/date" ;
15: argv[1] = 0 ;
16: execve( argv[0],argv,environ );
17: execve( argv[0],argv,environ );
18: execve( argv[0],argv,environ );
19: execve( argv[0],argv,environ );
20: }
----------------------------------------------------------------------
実行結果
execve() は、最初の１回しか有効ではない。execve() に成功すると、現在の プログラムがメモリから消され、新しいプログラム(/bin/date)がメモリに読 込まれる。/bin/date は、仕事が終ると exit() する。元のプログラムにもど ることはない。---------------------------------------------------------------------- % cp ~yas/syspro/proc/exec-date.c .
----------------------------------------------------------------------
1: /*
2: proc-create.c -- calプログラムよりプロセスを作る
3: ~yas/syspro/proc/proc-create.c
4: Start: 1995/02/27 15:27:54
5: */
6:
7: #include <unistd.h> /* fork(), execve(), pid_t */
8: #include <sys/types.h> /* wait() */
9: #include <sys/wait.h> /* wait() */
10:
11: extern char **environ;
12:
13: main()
14: {
15: pid_t child_pid ;
16: int status ;
17: if( (child_pid=fork()) == 0 )
18: {
19: char *argv[4] ;
20: printf("child: pid == %d, ppid == %d\n", getpid(), getppid() );
21: argv[0] = "cal" ;
22: argv[1] = "5" ;
23: argv[2] = "2003" ;
24: argv[3] = 0 ;
25: printf("child: 3\n");sleep( 1 );
26: printf("child: 2\n");sleep( 1 );
27: printf("child: 1\n");sleep( 1 );
28: printf("child: 0\n");
29: execve( "/usr/bin/cal", argv, environ );
30: perror( "execve" );
31: /* exec に失敗したら exit() を忘れないこと */
32: exit( 1 );
33: }
34: else if( child_pid > 0 )
35: {
36: printf("parent: pid == %d, ppid == %d, child_pid == %d\n",
37: getpid(), getppid(),child_pid );
38: printf("parent: waiting ...\n");
39: wait( &status );
40: printf("status == %d\n",status );
41: }
42: else
43: {
44: perror("fork");
45: }
46: }
----------------------------------------------------------------------
実行例。
---------------------------------------------------------------------- % cp ~yas/syspro/proc/proc-create.c .
fork() でプロセスが２つに分かれる。つまり、元のプロセスのコピーにより、 新しいプロセスが１つできる。コピーにより、fork() の結果は、違う。親プ ロセス（もとともあったプロセス）では、fork() の結果は、正の値が返され る。この正の値は、子プロセスの PID である。子プロセス（コピーの方）は、 0 が返される。
まれに、fork() が失敗することがある。その時には、子プロセスは作られず、 親プロセスに -1 が返される。
親プロセスと子プロセスは、独立に動作する。どちらが先に実行されるかとい う保証はない。本来は、独立に仕事をさせたい時に、プロセスを作るものであ り、１つのひとつ順序よくやりたい時にはプロセスを作らない。実行の順序を 制御するには、プロセス間で「同期」と呼ばれる操作を行う必要がある。
Unix の場合、別のプログラムをサブルーチンのように使いたいことがある。 この場合、子プロセスを fork() して、同期として、子供の終了(exit()する) を親が待つ(wait()する)。
それ以外の同期の方法は、少々複雑で、ファイルに対するロックやパイプなど のプロセス間通信を通じて行う。
sleep() は、引数で指定された秒数だけプロセスの実行を休止するライブラリ 関数である。
一度できたプロセスは、exit() しない限り、終了しない。main() がから抜け ると、プロセスが終了するのは、main() を呼び出した関数が exit() システ ムコールを実行しているからである。
start()
{
....
ret = main(argc, argv, envp);
exit( ret );
}
正常に終了した時には、exit(0)する。そうでない時には、0 以外の値で exit
する。exit で返した値は、wait() で受け取ることができる。ただし、下位 8
ビットだけしか渡されない。WEXITSTATUS(status)で受け取る。
wait() で得られる status を調べると、exit() の値の他に、kill で殺され たかどうか、kill や ptrace() で停止したかどうかも調べられる。詳しくは、 man 2 wait を参照しなさい。
execve() は、システム・コールである。これを使いやすくするために、次の ようなライブラリ関数が用意されている。
int execl (const char *path, const char *arg0, ..., const char *argn,
(char *)0);
int execv (const char *path, char *const *argv);
int execle (const char *path, const char *arg0, ..., const char *argn,
(char *0), const char *envp[]);
int execve (const char *path, char *const *argv, char *const *envp);
int execlp (const char *file, const char *arg0, ..., const char *argn,
(char *)0);
int execvp (const char *file, char *const *argv);
int system(const char *string);
FILE *popen(const char *command, const char *type);
int pclose (FILE *stream);
親プロセスが子プロセスの終了を待ちたい場合には、wait() システムコール
を使う必要がある。
pid_t wait(int *status) pid_t waitpid(pid_t pid, int *status, int options); pid_t wait3(int *status, int options,struct rusage *rusage) pid_t wait4(pid_t pid, int *status, int options,struct rusage *rusage)Linux の wait() には、必ず引数を与える。status が不要の時には、0 を与 える。
main()
{
system("ls -l");
system("wc <file.c");
}
引数の文字列では、/bin/sh の命令が記述可能である。
新しい環境変数を追加するには、environ の先の領域もコピーして増やす。
シグナルについては何もしなくてもよい。
argv[1] の文字列を、strtol() などで処理して数を得る。 その回数だけ、fork(),execve(),wait() をする。 &argv[2] 以降を、execve() にそのまま与えるとよい。% ./run-n 3 date -u
ライブラリ関数 system() も使ってもよいが、使わない方が簡単であろう。
main() プログラムの例を、~yas/syspro/proc/run-n.cに置く。
----------------------------------------------------------------------
1: /*
2: run-n.c -- 与えられたプログラム n 回実行するプログラム(mainのみ)
3: ~yas/syspro/proc/run-n.c
4: Start: 2003/04/27 23:57:38
5: */
6:
7: #include <stdio.h>
8:
9: int run_n( int n, char *argv[], char *envp[] );
10:
11: main( int argc, char *argv[], char *envp[] )
12: {
13: int n ;
14: if( argc < 2 )
15: {
16: fprintf(stderr,"Usage: %% %s num cmd arg1 arg2 ...\n",argv[0] );
17: exit( -1 );
18: }
19: n = strtol( argv[1],0,10 );
20: run_n( n, &argv[2], envp );
21: }
22:
23: int run_n( int n, char *argv[], char *envp[] )
24: {
25: int i ;
26: printf("n == %d \n",n );
27: for( i=0 ; argv[i] ; i++ )
28: {
29: printf("argv[%d]: %s\n",i,argv[i] );
30: }
31: }
32:
----------------------------------------------------------------------
このプログラムでは、単に表示がこのようになるのではなくて、カウント・ダ ウンするたびに必ず execve() などでプログラムを切替えなさい。次のような プログラムは、「不可」である。% ./countdown 3
main(int argc, char *argv[])
{
int n, i ;
n = strtol( argv[1],0,10 );
for( i=n ; i>=0 ; i-- )
{
printf("%d\n",i);
}
}
カウント・ダウンするたびに、execve() などでプログラムを切替えること。
main(int argc, char *argv[])
{
...
n = strtol( argv[1],0,10 );
if( n <= 0 )
exit( 0 );
else
{
n -- ;
...
execve(....);
perror("execve");
exit( 1 );
}
}
注意：このプログラムでは、fork() も wait() も、不要である。
argv[1] で与えられたプログラムを実行し、成功すれば、argv[2] を、実行す る。失敗すれば、argv[3] を実行する。実行する時には、上のように 引用符でコマンドを括ると、間に空白を含まれていても１つの引数になる。 このような引数は、ライブラリ関数 system() に渡す時に都合がよい。---------------------------------------------------------------------- % ./if-then-else "cc file1.c" "play happy" "play sad"
コマンドの区切りは、別のもでもよい。
この場合、argv[3] の then や argv[6] の else を 0 で潰して execvp() な どで実行するとよい。この場合は、system() よりも、execvp() を使った方が 簡単であろう。まず最初の条件判定をする部分を fork-exec で実行し、wait する。wait の結果、成功していたら、then 以下の部分をexec し、そうでな ければ、else 以下の部分を exec する。then 以下や else 以下を実行する時 には、もどってくる必要がないので、fork しなくてもよい。---------------------------------------------------------------------- % ./if-then-else cc file1.c then play happy else play sad
複数の wget コマンドを同時に実行して、複数の WWW 資源を同時にコピーす るプログラムをつくりなさい。たとえば、次のように実行すると、最大３個の wget コマンドを同時に動かし、同時にコピーを行う。---------------------------------------------------------------------- % wget http://www/
このプログラムでは、ライブラリ関数 system() を使ってもよい(使わなくて もよい)。---------------------------------------------------------------------- % ./run-wget-n 3 url1 url2 url3 url4 url5 url6
必ずしも同数に分割する必要はない。高度なプログラムを記述すれば、終了し 次第、次の URL に進むようにすることができる。wget コマンドにはもともと も複数の URL を取る機能もあるので、それを使ってもよい。