itmo_conspects

Лекция 5. Процессы, часть II

Сигнал

В операционной системе процессы имеют изолированное адресное пространство, изолированное исполнение, изолированное планирование и не могут повлиять на другие процессы. Поэтому для общения процессы помимо файловой системы могут использовать сигналы

Сигнал - это сообщение, которое процесс получает от операционной системы или другого процесса. С точки зрения процесса сигнал выглядит как прерывание

Согласно стандарту POSIX, сигналы делятся на стандартные и сигналы реального времени

В Linux всего 31 стандартный сигнал. Рассмотрим самые распространенные из них:

Имя	Код	Назначение	Действие по умолчанию
SIGHUP (от hang up)	1	Процесс завершается, а дочерние процессы получает этот сигнал, чтобы тоже завершиться. Ранее использовался для обозначения прерывания телефонной связи между терминалом и пользователем (дословно “положить трубку”)	🛑
SIGINT (от interrupt)	2	Прерывание выполнения команд от клавиатуры (в терминале вызывается по комбинации Ctrl+C)	🛑
SIGQUIT	3	Прерывание с дампом ядра (обычно Ctrl+\), посылается всем процессам группы	🛑📦
SIGILL (от illegal)	4	Сигнал, посланный ядром, который означает, что выполнявшаяся инструкция является неправильной с точки зрения архитектуры процессора	🛑📦
SIGFPE (от floating point exception)	8	Ошибочная арифметическая операция	🛑📦
SIGKILL	9	Немедленное принудительное завершение процесса	🛑
SIGUSR1 и SIGUSR2	10 и 12	Сигналы, определенные пользователем	🛑
SIGSEGV (от segmentation fault)	11	Нарушение доступа к памяти, например, доступ к еще невыделенной странице	🛑📦
SIGPIPE	13	Процесс написал в именованный канал, но нет процесса, который мог бы прочитать это	🛑
SIGTERM (от terminate)	15	Сигнал завершения	🛑
SIGCHLD, также SIGCLD (от child)	17	Дочерний процесс завершился, был остановлен или продолжил исполнение	🙈
SIGCONT (от continue)	18	Процесс продолжает исполнение	▶️
SIGSTOP	19	Перевод процесса в состояние “Остановлен”	⏸️
SIGTSTR	20	Сигнал остановки с терминала по комбинации Ctrl+Z	⏸️

По умолчанию каждый процесс имеет таблицу обработчиков сигналов, наследованную от первого процесса (init или systemd). Такие обработчики обычно могут совершать такие действия:

• 🛑 - завершение исполнение процесса (🛑📦 - завершение с сохранением памяти процесса в момент получения сигнала)
• ⏸️ - процесс останавливает исполнение
• 🙈 - игнорирование сигнала
• ▶️ - продолжение исполнения

Здесь код сигнала указан для архитектур x86 и ARM. В других архитектурах (например, MIPS или SPARC) код сигнала может отличаться

Среди этих все, кроме SIGKILL и SIGSTOP, можно перехватить и переопределить обработчики, например, назначить на SIGINT правильной завершение процесса. На сигналы SIGKILL и SIGSTOP операционная система принудительно убивает или переводит процесс в состояние “Остановлен” соответственно

Сигналы реального времени используются для обычных программ. Они не имеют определенного значения, и всего их может быть до 33 – они определены интервалом от SIGRTMIN (чаще всего 34 или 35) и SIGRTMAX (64). Так как разные имплементации потоков библиотеки glibc используют первые 1 или 2 сигнала для своих задач, рекомендуется использовать SIGRTMIN + 3 вместо 37 или 38

Гарантируется, что сигналы реального времени придут процессу в том же порядке, что они были отправлены. Также, если такой сигнал был послан функцией sigqueue, то процесс-приемник может получить число или указатель на дополнительные данные

Источник: https://www.man7.org/linux/man-pages/man7/signal.7.html

Планирование процессов

Подробнее про планирование процессов описано в курсе “Операционные системы”

За время развития операционной системы Linux существовало множество планировщиков:

• O(n) scheduler, использовавшийся в версиях ядра с 2.4 до 2.6
• O(1) scheduler, использовавшийся в версиях ядра с 2.6 до 2.6.23
• Completely Fair Scheduler (CFS, Полностью справедливый планировщик), использовавшийся долгое время (16 лет) в версиях ядра с 2.6.23 до 6.6
• Earliest eligible virtual deadline first (EEVDF, “С самого раннего подходящего для виртуального дедлайна”), использующийся с версии ядра 6.6

В Linux можно выделить 2 типа процессов:

• Процессы реального времени - обычно, это демоны ядра. Их выполнение приоритетно, так как от их работы зависит работа остальных процессов, поэтому система выполняет сначала их

  Для их исполнения используются алгоритм “Первым пришел - первым обслужен” (FCFS) или циклический алгоритм (Round Robin)

• Пользовательские процессы. У каждого такого процесса есть собственный приоритет исполнения (значение nice), поэтому для них используются более изощренные алгоритмы, такие как CFS и EEVDF

Рассмотрим, как работает Completely Fair Scheduler

Ключевая идея планировщика - каждый процесс должен получать долю процессорного времени, пропорциональную её весу (то есть приоритету). Вместо фиксированных очередей планировщик CFS использует виртуальное время vruntime для каждой задачи

• Когда процесс порождается другим, его виртуальное время vruntime устанавливается таким же, как и у его родителя

• После того, как другой процесс исполнялся некоторое число квантов, планировщик находит процесс с наименьшим vruntime и начинает его исполнение. Его исполнение заканчивается, если:

  • Он был остановлен, завершил исполнение или перешел в ожидание ввода/вывода
  • Появилась другая задача с меньшим vruntime
  • Время его исполнения превысилось некоторое число квантов исполнения (условных единиц). Это число зависит от веса процесса и текущего множества готовых к исполнению процессов

• После исполнения delta_exec секунд планировщик обновляет vruntime по такой формуле:

    vruntime += delta_exec * weight / lw.weight
  

  Здесь weight - вес текущего процесса (примерно 1024 / (1.25 ^ nice_value), nice_value - это значение параметра nice), а lw.weight - вес опорной сущности, например, вес для процесса с nice=0 или установленный вес для группы процессов

• Выбирается следующий процесс с минимальным vruntime и так далее

Сами процессы с vruntime должны где-то храниться, причем операции добавления удаления должны быть быстрыми. По этой причине выбрали красно-черное дерево - процессы отсортированы по величине vruntime, а само дерево является самобалансирующимся, то есть в любой момент времени его высота примерно равна log N, а все операции имеют сложность O(log N)

Подробнее про CFS: https://www.kernel.org/doc/html/latest/scheduler/sched-design-CFS.html, https://developer.ibm.com/tutorials/l-completely-fair-scheduler/
Исходный код CFS: https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.5/kernel/sched/fair.c

---

Completely Fair Scheduler полагался на множество эвристик и параметров, чтобы корректно работать с интерактивными и фоновыми задачами

Новый алгоритм Earliest eligible virtual deadline first вместо этого имеет математический подход. В нем есть три понятия:

• Виртуальное время выполнения, как и в CFS
• Лаг - разница между тем, сколько процессорного времени задача должна была получить (согласно своему приоритету), и тем, сколько она реально получила
• Виртуальный дедлайн - момент времени, к которому задача должна получить свое процессорное время

На каждом шаге EEVDF:

• Находит задачи с положительным лагом. Такие задачи называются подходящими (eligible)
• Среди них выбирает ту, у которой самый ранний виртуальный дедлайн (earliest virtual deadline)

Однако процессы могут кратковременно засыпать, чтобы повышать свой лаг, что делает планировщик несправедливым. Чтобы бороться с этим, планировщик не убирает такие задачи из очереди “Готовность”, а также меньше уменьшает их лаг

Статья про EEVDF: https://citeseerx.ist.psu.edu/document?doi=805acf7726282721504c8f00575d91ebfd750564&repid=rep1&type=pdf
Документация про EEVDF: https://docs.kernel.org/scheduler/sched-eevdf.html

Псевдофайловая система /proc/

Для доступа к сведениям процессов есть псевдофайловая система /proc/, которая представляет из себя набор файлов для каждого процесса. При чтении одного из файлов в этом подкаталоге данные достаются не из диска, а из оперативной памяти

Директория /proc/ содержит множество поддиректорий вида /proc/<PID> с числовыми названиями. Это число представляет из себя идентификатор процесса, а поддиректория хранит информацию о процессе, а именно:

• файл /proc/<PID>/cmdline - полная командная строка запуска процесса
• символьная ссылка /proc/<PID>/exe на исполняемый файл. Иногда команда запуска может быть вида nano test.sh, где программа nano может быть в /bin/nano, а может быть другой утилитой из другого места
• символьная ссылка /proc/<PID>/cwd на текущий каталог, относительного которого процесс исполняется (от current working directory)

• файл /proc/<PID>/environ, содержащий переменные окружения процесса

• файл /proc/<PID>/status, содержащий общую информацию о процессе

  

  Также есть файл /proc/<PID>/stat, содержащий статистику в машиночитаемом виде

• файл /proc/<PID>/io, содержащий статистику операциям хранилища в таком виде:

    rchar: 131804676
    wchar: 1467923
    syscr: 30982
    syscw: 40879
    read_bytes: 296783872
    write_bytes: 1097728
    cancelled_write_bytes: 8192
  

• файл /proc/<PID>/maps, содержащий информацию о выделенных страницах памяти

  

  Вместе с ним есть файл /proc/<PID>/pagemap, который содержит 64-битные числа, представляющие каждую страницу в машиночитаемом виде

• файл /proc/<PID>/statm, хранящий информацию о размерах структуры памяти процесса в 7 числах. Например:

    440853 192627 48735 27145 0 300709 0
  

  Здесь:

  • 440853 - общий размер программы
  • 192627 - размер резидентной части (та часть используемой памяти, которая находится в ОЗУ)
  • 48735 - размер разделенной памяти, которая используется несколькими программами
  • 27145 - размер сегмента, отведенного под код программы
  • 0 - размер библиотек, не используется с версии ядра 2.6
  • 300709 - размер данных и стека
  • 0 - размер грязных страниц, не используется с версии ядра 2.6

• файл /proc/<PID>/sched, содержащий статистику планировщика

  

• директория /proc/<PID>/fd, содержащая информацию об открытых файловых дескрипторах

  

---

Помимо информации для каждого процесса /proc/ хранит общую информацию об операционной системе

• Файл /proc/cmdline - аргументы запуска ядра, например:

    BOOT_IMAGE=/vmlinuz-linux-zen root=UUID=90811ff5-ecb7-4e78-8406-1be8785fe758 rw loglevel=3 quiet
  

• Файл /proc/cpuinfo, содержащий информацию о процессорах:

  

  Здесь можно узнать модель процессоров и поддерживаемые инструкции и технологии

• Файл /proc/diskstats, содержащий статистику операций со всеми дисками

• Файл /proc/meminfo, содержащий сведения об оперативной памяти:

  

• Файл /proc/devices - список устройств
• Файл /proc/mounts - список смонтированных файловых систем
• Файл /proc/modules - список загруженный модулей ядра
• Файл /proc/filesystem - список поддерживаемых ядром файловых систем
• Файл /proc/swaps - список разделов подкачки
• Файл /proc/version - версия ядра и дата сборки
• Каталог /proc/sys/kernel/ - изменяемые параметры ядра

This site is open source. Improve this page.