Iniziate wait & waitpid

[gapil.git] / prochand.tex

\chapter{La gestione dei processi}
\label{cha:process_handling}

Come accennato nell'introduzione in un sistema unix ogni attività del sistema
viene svolta tramite i processi.  In sostanza i processi costituiscono l'unità
base per l'allocazione e l'uso delle risorse del sistema.

Nel precedente capitolo abbiamo visto come funziona un singolo processo, in
questo capitolo affronteremo i dettagli della creazione e della distruzione
dei processi, della gestione dei loro attributi e privilegi, e di tutte le
funzioni a questo connesse.


\section{Introduzione}
\label{sec:proc_gen}

Partiremo con una introduzione generale ai concetti che stanno alla base della
gestione dei processi in unix. Introdurremo in questa sezione l'architettura
della gestione dei processi e le sue principali caratteristiche, e daremo una
panoramica sull'uso delle principali funzioni per la gestione dei processi.

\subsection{La gerarchia dei processi}
\label{sec:proc_hierarchy}

A differenza di quanto avviene in altri sistemi (ad esempio nel VMS la
generazione di nuovi processi è un'operazione privilegiata) una delle
caratteristiche di unix (che esamineremo in dettaglio più avanti) è che
qualunque processo può a sua volta generarne altri, detti processi figli
(\textit{child process}). Ogni processo è identificato presso il sistema da un
numero unico, il \acr{pid} (da \textit{process identifier}).

Una seconda caratteristica è che la generazione di un processo è una
operazione separata rispetto al lancio di un programma. In genere la sequenza
è sempre quella di creare un nuovo processo, il quale si eseguirà, in un passo
successivo, il programma voluto: questo è ad esempio quello che fa la shell
quando mette in esecuzione il programma che gli indichiamo nella linea di
comando.

Una terza caratteristica è che ogni processo viene sempre generato da un altro
che viene chiamato processo genitore (\textit{parent process}). Questo vale
per tutti i processi, con una eccezione (dato che ci deve essere un punto di
partenza), esiste sempre infatti un processo speciale, che normalmente è
\cmd{/sbin/init}, che viene lanciato dal kernel quando questo ha finito la
fase di avvio, esso essendo il primo processo lanciato ha sempre il \acr{pid}
uguale a 1 e non è figlio di nessuno.

Questo è ovviamente un processo speciale, che in genere si occupa di far
partire tutti gli processi altri necessari al funzionamento del sistema,
inoltre \cmd{init} è essenziale per svolgere una serie di compiti
amministrativi nelle operazioni ordinarie del sistema (torneremo si alcuni di
essi in \secref{}) e non può mai essere terminato. La struttura del sistema
comunque consente di lanciare al posto di \cmd{init} qualunque altro programma
(e in casi di emergenza, ad esempio se il file di \cmd{init} si fosse
corrotto, è possibile farlo ad esempio passando la riga \cmd{init=/bin/sh}
all'avvio).

Dato che tutti i processi successivi sono comunque generati da \cmd{init} o da
suoi figli tutto ciò comporta che, i processi sono organizzati gerarchicamente
dalla relazione fra genitori e figli, in maniera analoga a come i file sono
organizzati in un albero di directory con alla base \file{/} (si veda
\secref{sec:file_file_struct}); in questo caso alla base dell'albero c'è il
processo \cmd{init} che è progenitore di ogni altro processo\footnote{in
  realtà questo non è del tutto vero, in Linux ci sono alcuni processi che pur
  comparendo come figli di init (ad esempio in \cmd{pstree}) sono generati
  direttamente dal kernel, come \cmd{keventd}, \cmd{kswapd}, etc.}.


\subsection{Una panoramica sulle funzioni di gestione}
\label{sec:proc_handling_intro}

I processi vengono creati dalla funzione \func{fork}; in molti unix questa è
una system call, Linux però usa un'altra nomenclatura, e la funzione fork è
basata a sua volta sulla system call \func{\_\_clone}, che viene usata anche
per generare i \textit{thread}.  Il processo figlio creato dalla \func{fork} è
una copia identica del processo processo padre, ma ha nuovo \acr{pid} e viene
eseguito in maniera indipendente (le differenze fra padre e figlio sono
affrontate in dettaglio in \secref{sec:proc_fork}).

Se si vuole che il processo padre si fermi fino alla conclusione del processo
figlio questo deve essere specificato subito dopo la \func{fork} chiamando la
funzione \func{wait} o la funzione \func{waitpid} (si veda
\secref{sec:proc_wait}); queste funzioni restituiscono anche una informazione
abbastanza limitata (lo stato di terminazione) sulle cause della terminazione
del processo.

Quando un processo ha concluso il suo compito o ha incontrato un errore non
risolvibile esso può essere terminato con la funzione \func{exit} (si veda
quanto discusso in \secref{sec:proc_termination}). La vita del processo però
termina solo quando la notifica della sua conclusione viene ricevuta dal
processo padre, a quel punto tutte le risorse allocate nel sistema ad esso
associate vengono rilasciate.

Avere due processi che eseguono esattamente lo stesso codice non è molto
utile, normalmente si genera un secondo processo per affidargli l'esecuzione
di un compito specifico (ad esempio gestire una connessione dopo che questa è
stata stabilita), o fargli eseguire (come fa la shell) un altro programma. Per
quest'ultimo caso si usa la seconda funzione fondamentale per programmazione
coi processi che è la \func{exec}.

Il programma che un processo sta eseguendo si chiama immagine del processo (o
\textit{process image}), le funzioni della famiglia \func{exec} permettono di
caricare un'altro programma da disco sostituendo quest'ultimo all'immagine
corrente; questo fa si che l'immagine precedente venga completamente
cancellata. Questo significa che quando il nuovo programma esce anche il
processo termina, e non si può tornare alla precedente immagine.

Per questo motivo la \func{fork} e la \func{exec} sono funzioni molto
particolari con caratteristiche uniche rispetto a tutte le altre, infatti la
prima ritorna due volte (nel processo padre e nel figlio) mentre la seconda
non ritorna mai (in quanto con essa viene eseguito un altro programma).



\section{La gestione dei processi}
\label{sec:proc_handling}

In questa sezione tratteremo le funzioni per la gestione dei processi, a
partire dalle funzioni elementari che permettono di leggerne gli
identificatori, alle varie funzioni di manipolazione dei processi, che
riguardano la loro creazione, terminazione, e la messa in esecuzione di altri
programmi.


\subsection{Gli identificatori dei processi}
\label{sec:proc_pid}

Come accennato nell'introduzione ogni processo viene identificato dal sistema
da un numero identificativo unico, il \textit{process id} o \acr{pid};
quest'ultimo è un tipo di dato standard, il \type{pid\_t} che in genere è un
intero con segno (nel caso di Linux e delle glibc il tipo usato è \type{int}).

Il \acr{pid} viene assegnato in forma progressiva ogni volta che un nuovo
processo viene creato, fino ad un limite massimo (in genere essendo detto
numero memorizzato in un intero a 16 bit si arriva a 32767) oltre il quale si
riparte dal numero più basso disponibile (FIXME: verificare, non sono sicuro).
Per questo motivo processo il processo di avvio (\cmd{init}) ha sempre il
\acr{pid} uguale a uno. 

Tutti i processi inoltre memorizzano anche il \acr{pid} del genitore da cui
sono stati creati, questo viene chiamato in genere \acr{ppid} (da
\textit{parent process id}) ed è normalmente utilizzato per il controllo di
sessione.  Questi due identificativi possono essere ottenuti da programma
usando le funzioni:
\begin{functions}
\headdecl{sys/types.h}
\headdecl{unistd.h}
\funcdecl{pid\_t getpid(void)} restituisce il pid del processo corrente.
\funcdecl{pid\_t getppid(void)} restituisce il pid del padre del processo
    corrente.
Entrambe le funzioni non riportano condizioni di errore. 
\end{functions}
esempi dell'uso di queste funzioni sono riportati in
\figref{fig:proc_fork_code}, nel programma di esempio \file{ForkTest.c}.

Il fatto che il \acr{pid} sia un numero univoco per il sistema lo rende il
candidato ideale per generare ulteriori indicatori associati al processo di
cui diventa possibile garantire l'unicità: ad esempio la funzione
\func{tmpname} (si veda \secref{sec:file_temp_file}) usa il \acr{pid} per
generare un pathname univoco, che non potrà essere replicato da un'altro
processo che usi la stessa funzione. 

Tutti i processi figli dello stesso processo padre sono detti
\textit{sibling}, questa è un'altra delle relazioni usate nel controllo di
sessione, in cui si raggruppano tutti i processi creati su uno stesso
terminale una volta che si è effettuato il login. Torneremo su questo
argomento in \secref{cap:terminal}, dove esamineremo tutti gli altri
identificativi associati ad un processo relativi al controllo di sessione.


\subsection{La funzione \func{fork}}
\label{sec:proc_fork}

La funzione \func{fork} è la funzione fondamentale della gestione dei
processi: come si è detto l'unico modo di creare un nuovo processo è
attraverso l'uso di questa funzione, essa quindi riveste un ruolo centrale
tutte le volte che si devono scrivere programmi che usano il multitasking.  Il
prototipo della funzione è:

\begin{functions}
  \headdecl{sys/types.h} 
  \headdecl{unistd.h} 
  \funcdecl{pid\_t fork(void)} 
  Restituisce zero al padre e il \acr{pid} al figlio in caso di successo,
  ritorna -1 al padre (senza creare il figlio) in caso di errore;
  \texttt{errno} può assumere i valori:
  \begin{errlist}
  \item \macro{EAGAIN} non ci sono risorse sufficienti per creare un'altro
    processo (per allocare la tabella delle pagine e le strutture del task) o
    si è esaurito il numero di processi disponibili.
  \item \macro{ENOMEM} non è stato possibile allocare la memoria per le
    strutture necessarie al kernel per creare il nuovo processo.
  \end{errlist}
\end{functions}

Dopo il successo dell'esecuzione di una \func{fork} sia il processo padre che
il processo figlio continuano ad essere eseguiti normalmente alla istruzione
seguente la \func{fork}; il processo figlio è però una copia del padre, e
riceve una copia dei segmenti di testo, stack e dati (vedi
\secref{sec:proc_mem_layout}), ed esegue esattamente lo stesso codice del
padre, ma la memoria è copiata, non condivisa\footnote{In generale il segmento
  di testo, che è identico, è condiviso e tenuto in read-only, Linux poi
  utilizza la tecnica del \textit{copy-on-write}, per cui la memoria degli
  altri segmenti viene copiata dal kernel per il nuovo processo solo in caso
  di scrittura, rendendo molto più efficiente il meccanismo} pertanto padre e
figlio vedono variabili diverse.

La differenza che si ha nei due processi è che nel processo padre il valore di
ritorno della funzione fork è il \acr{pid} del processo figlio, mentre nel
figlio è zero; in questo modo il programma può identificare se viene eseguito
dal padre o dal figlio.  Si noti come la funzione \func{fork} ritorni
\textbf{due} volte: una nel padre e una nel figlio. La sola differenza che si
ha nei due processi è il valore di ritorno restituito dalla funzione, che nel
padre è il \acr{pid} del figlio mentre nel figlio è zero; in questo modo il
programma può identificare se viene eseguito dal padre o dal figlio.

La scelta di questi valori non è casuale, un processo infatti può avere più
figli, ed il valore di ritorno di \func{fork} è l'unico modo che permette di
identificare quello appena creato; al contrario un figlio ha sempre un solo
padre (il cui \acr{pid} può sempre essere ottenuto con \func{getppid}, vedi
\secref{sec:proc_pid}) e si usa il valore nullo, che non può essere il
\acr{pid} di nessun processo.

\begin{figure}[!htb]
  \footnotesize
  \begin{lstlisting}{}
#include <errno.h>       /* error definitions and routines */ 
#include <stdlib.h>      /* C standard library */
#include <unistd.h>      /* unix standard library */
#include <stdio.h>       /* standard I/O library */
#include <string.h>      /* string functions */

/* Help printing routine */
void usage(void);

int main(int argc, char *argv[])
{
/* 
 * Variables definition  
 */
    int nchild, i;
    pid_t pid;
    int wait_child  = 0;
    int wait_parent = 0;
    int wait_end    = 0;
    ...        /* handling options */
    nchild = atoi(argv[optind]);
    printf("Test for forking %d child\n", nchild);
    /* loop to fork children */
    for (i=0; i<nchild; i++) {
        if ( (pid = fork()) < 0) { 
            /* on error exit */ 
            printf("Error on %d child creation, %s\n", i+1, strerror(errno));
            exit(-1); 
        }
        if (pid == 0) {   /* child */
            printf("Child %d successfully executing\n", ++i);
            if (wait_child) sleep(wait_child);
            printf("Child %d, parent %d, exiting\n", i, getppid());
            exit(0);
        } else {          /* parent */
            printf("Spawned %d child, pid %d \n", i+1, pid);
            if (wait_parent) sleep(wait_parent);
            printf("Go to next child \n");
        }
    }
    /* normal exit */
    if (wait_end) sleep(wait_end);
    return 0;
}
  \end{lstlisting}
  \caption{Esempio di codice per la creazione di nuovi processi.}
  \label{fig:proc_fork_code}
\end{figure}

Normalmente la chiamata a \func{fork} può fallire solo per due ragioni, o ci
sono già troppi processi nel sistema (il che di solito è sintomo che
qualcos'altro non sta andando per il verso giusto) o si è ecceduto il limite
sul numero totale di processi permessi all'utente (il valore della costante
\macro{CHILD\_MAX} definito in \file{limits.h}, che fa riferimento ai processo
con lo stesso \textit{real user id}).

L'uso di \func{fork} avviene secondo due modalità principali; la prima è
quella in cui all'interno di un programma si creano processi figli per
affidargli l'esecuzione di una certa sezione di codice, mentre il processo
padre ne esegue un'altra. È il caso tipico dei server di rete in cui il padre
riceve ed accetta le richieste da parte dei client, per ciascuna delle quali
pone in esecuzione un figlio che è incaricato di fornire il servizio.

La seconda modalità è quella in cui il processo vuole eseguire un altro
programma; questo è ad esempio il caso della shell. In questo caso il processo
crea un figlio la cui unica operazione è quella fare una \func{exec} (di cui
parleremo in \secref{sec:proc_exec}) subito dopo la \func{fork}.

Alcuni sistemi operativi (il VMS ad esempio) combinano le operazioni di questa
seconda modalità (una \func{fork} seguita da una \func{exec}) in un'unica
operazione che viene chiamata \textit{spawn}. Nei sistemi unix-like è stato
scelto di mantenere questa separazione, dato che, come visto per la prima
modalità d'uso, esistono numerosi scenari in cui si può usare una \func{fork}
senza bisogno di una \func{exec}. Inoltre anche nel caso della seconda
modalità di operazioni, avere le due funzioni separate permette al figlio di
cambiare gli attributi del processo (maschera dei segnali, redirezione
dell'output, \textit{user id}) prima della \func{exec}, rendendo molto più
flessibile la possibilità di modificare gli attributi del nuovo processo.

In \curfig\ si è riportato il corpo del codice del programma di esempio
\cmd{forktest}, che ci permette di illustrare molte caratteristiche dell'uso
della funzione \func{fork}. Il programma permette di creare un numero di figli
specificato a linea di comando, e prende anche alcune opzioni per indicare
degli eventuali tempi di attesa in secondi (eseguiti tramite la funzione
\func{sleep}) per il padre ed il figlio (con \cmd{forktest -h} si ottiene la
descrizione delle opzioni); il codice completo, compresa la parte che gestisce
le opzioni a riga di comando, è disponibile nel file \file{ForkTest.c}.

Decifrato il numero di figli da creare, il ciclo principale del programma
(\texttt{\small 28--40}) esegue in successione la creazione dei processi figli
controllando il successo della chiamata a \func{fork} (\texttt{\small
  29--31}); ciascun figlio (\texttt{\small 29--31}) si limita a stampare il
suo numero di successione, eventualmente attendere il numero di secondi
specificato e scrivere un messaggio prima di uscire. Il processo padre invece
(\texttt{\small 29--31}) stampa un messaggio di creazione, eventualmente
attende il numero di secondi specificato, e procede nell'esecuzione del ciclo;
alla conclusione del ciclo, prima di uscire, può essere specificato un altro
periodo di attesa.

Se eseguiamo il comando senza specificare attese (come si può notare in
\texttt{\small 17--19} i valori di default specificano di non attendere),
otterremo come output sul terminale:
\begin{verbatim}
[piccardi@selidor sources]$ ./forktest 3
Test for forking 3 child
Spawned 1 child, pid 1964 
Child 1 successfully executing
Child 1, parent 1963, exiting
Go to next child 
Spawned 2 child, pid 1965 
Child 2 successfully executing
Child 2, parent 1963, exiting
Go to next child 
Child 3 successfully executing
Child 3, parent 1963, exiting
Spawned 3 child, pid 1966 
Go to next child 
\end{verbatim} %$

Esaminiamo questo risultato: una prima conclusione che si può trarre è non si
può dire quale processo fra il padre ed il figlio venga eseguito per
primo\footnote{anche se nel kernel 2.4.x era stato introdotto un meccanismo
  che metteva in esecuzione sempre il xxx per primo (TODO recuperare le
  informazioni esatte)} dopo la chiamata a \func{fork}; dall'esempio si può
notare infatti come nei primi due cicli sia stato eseguito per primo il padre
(con la stampa del \acr{pid} del nuovo processo) per poi passare
all'esecuzione del figlio (completata con i due avvisi di esecuzione ed
uscita), e tornare all'esecuzione del padre (con la stampa del passaggio al
ciclo successivo), mentre la terza volta è stato prima eseguito il figlio
(fino alla conclusione) e poi il padre.

In generale l'ordine di esecuzione dipenderà, oltre che dall'algoritmo di
scheduling usato dal kernel, dalla particolare situazione in si trova la
macchina al momento della chiamata, risultando del tutto impredicibile.
Eseguendo più volte il programma di prova e producendo un numero diverso di
figli, si sono ottenute situazioni completamente diverse, compreso il caso in
cui il processo padre ha eseguito più di una \func{fork} prima che uno dei
figli venisse messo in esecuzione.

Pertanto non si può fare nessuna assunzione sulla sequenza di esecuzione delle
istruzioni del codice fra padre e figli, nè sull'ordine in cui questi potranno
essere messi in esecuzione, e se è necessaria una qualche forma di precedenza
occorrerà provvedere ad espliciti meccanismi di sincronizzazione, pena il
rischio di incorrere nelle cosiddette \textit{race conditions}.

Si noti inoltre che, come accennato, essendo i segmenti di memoria utilizzati
dai singoli processi completamente separati, le modifiche delle variabili nei
processi figli (come l'incremento di \var{i} in \texttt{\small 33}) sono
visibili solo al loro interno, e non hanno alcun effetto sul valore che le
stesse variabili hanno nel processo padre (ed in eventuali altri processi
figli che eseguano lo stesso codice).

Un secondo aspetto molto importante nella creazione dei processi figli è
quello dell'interazione dei vari processi con i file; per illustrarlo meglio
proviamo a redirigere su un file l'output del nostro programma di test, quello
che otterremo è:
\begin{verbatim}
[piccardi@selidor sources]$ ./forktest 3 > output
[piccardi@selidor sources]$ cat output
Test for forking 3 child
Child 1 successfully executing
Child 1, parent 1967, exiting
Test for forking 3 child
Spawned 1 child, pid 1968 
Go to next child 
Child 2 successfully executing
Child 2, parent 1967, exiting
Test for forking 3 child
Spawned 1 child, pid 1968 
Go to next child 
Spawned 2 child, pid 1969 
Go to next child 
Child 3 successfully executing
Child 3, parent 1967, exiting
Test for forking 3 child
Spawned 1 child, pid 1968 
Go to next child 
Spawned 2 child, pid 1969 
Go to next child 
Spawned 3 child, pid 1970 
Go to next child 
\end{verbatim}
che come si vede è completamente diverso da quanto ottenevamo sul terminale.

Il comportamento delle varie funzioni di interfaccia con i file è analizzato
in gran dettaglio in \capref{cha:file_unix_interface} e in
\secref{cha:files_std_interface}. Qui basta accennare che si sono usate le
funzioni standard della libreria del C che prevedono l'output bufferizzato; e
questa bufferizzazione varia a seconda che si tratti di un file su disco (in
cui il buffer viene scaricato su disco solo quando necessario) o di un
terminale (nel qual caso il buffer viene scaricato ad ogni a capo).

Nel primo esempio allora avevamo che ad ogni chiamata a \func{printf} il
buffer veniva scaricato, e le singole righe erano stampate a video subito dopo
l'esecuzione della \func{printf}. Ma con la redirezione su file la scrittura
non avviene più alla fine di ogni riga e l'output resta nel buffer, per questo
motivo, dato che ogni figlio riceve una copia della memoria del padre, esso
riceverà anche quanto c'è nel buffer delle funzioni di I/O, comprese le linee
scritte dal padre fino allora. Così quando all'uscita del figlio il buffer
viene scritto su disco, troveremo nel file anche tutto quello che il processo
padre aveva scritto prima della sua creazione.  E alla fine del file, dato che
in questo caso il padre esce per ultimo, troviamo anche l'output del padre.

Ma l'esempio ci mostra un'altro aspetto fondamentale dell'interazione con i
file, che era valido anche per l'esempio precedente, ma meno evidente; il
fatto cioè che non solo processi diversi possono scrivere in contemporanea
sullo stesso file (l'argomento della condivisione dei file in unix è trattato
in dettaglio in \secref{sec:file_sharing}), ma anche che, a differenza di
quanto avviene per le variabili, la posizione corrente sul file è condivisa 
fra il padre e tutti i processi figli. 

Quello che succede è che quando lo standard output del padre viene rediretto,
lo stesso avviene anche per tutti i figli; la funzione \func{fork} infatti ha
la caratteristica di duplicare (allo stesso modo in cui lo fa la funzione
\func{dup}, trattata in \secref{sec:file_dup}) nei figli tutti i file
descriptor aperti nel padre, il che comporta che padre e figli condividono
le stesse voci della file table (per la spiegazione di questi termini si veda
\secref{sec:file_sharing} e referenza a figura da fare) e quindi anche
l'offset corrente nel file.

In questo modo se un processo scrive sul file aggiornerà l'offset sulla file
table, e tutti gli altri processi che condividono la file table vedranno il
nuovo valore; in questo modo si evita, in casi come quello appena mostrato in
cui diversi processi scrivono sullo stesso file, che l'output successivo di un
processo vada a sovrapporsi a quello dei precedenti (l'output potrà risultare
mescolato, ma non ci saranno parti perdute per via di una sovrascrittura).

Questo tipo di comportamento è essenziale in tutti quei casi in cui il padre
crea un figlio ed attende la sua conclusione per proseguire, ed entrambi
scrivono sullo stesso file, ad esempio lo standard output (un caso tipico è la
shell). Se l'output viene rediretto con questo comportamento avremo che il
padre potrà continuare a scrivere automaticamente in coda a quanto scritto dal
figlio; se così non fosse ottenere questo comportamento sarebbe estremamente
complesso necessitando di una qualche forma di comunicazione fra i due
processi.

In generale comunque non è buona norma far scrivere più processi sullo stesso
file senza una qualche forma di sincronizzazione in quanto, come visto con il
nostro esempio, le varie scritture risulteranno mescolate fra loro in una
sequenza impredicibile. Le modalità con cui in genere si usano i file dopo una
\func{fork} sono sostanzialmente due:
\begin{enumerate}
\item Il processo padre aspetta la conclusione del figlio. In questo caso non
  è necessaria nessuna azione riguardo ai file, in quanto la sincronizzazione
  degli offset dopo eventuali operazioni di lettura e scrittura effettuate dal
  figlio è automatica.
\item L'esecuzione di padre e figlio procede indipendentemente. In questo caso
  ciascuno dei due deve chiudere i file che non gli servono una volta che la
  \func{fork} è stata eseguita, per evitare ogni forma di interferenza.
\end{enumerate}

Oltre ai file aperti i processi figli ereditano dal padre una serie di altre
proprietà comuni; in dettaglio avremo che dopo l'esecuzione di una \func{fork}
padre e figlio avranno in comune:
\begin{itemize}
\item i file aperti (e gli eventuali flag di \textit{close-on-exec} se
  settati).
\item gli identificatori per il controllo di accesso: il \textit{real user
    id}, il \textit{real group id}, l'\textit{effective user id},
  l'\textit{effective group id} e i \textit{supplementary group id} (vedi
  \secref{tab:proc_uid_gid}).
\item gli identificatori per il controllo di sessione: il \textit{process
    group id} e il \textit{session id} e il terminale di controllo.
\item i flag \acr{suid} e \acr{suid} (vedi \secref{sec:file_suid_sgid}).
\item la directory di lavoro e la directory radice (vedi
  \secref{sec:file_work_dir}).
\item la maschera dei permessi di creazione (vedi \secref{sec:file_umask}).
\item la maschera dei segnali.
\item i segmenti di memoria condivisa agganciati al processo. 
\item i limiti sulle risorse
\item le variabili di ambiente (vedi \secref{sec:proc_environ}).
\end{itemize}
le differenze invece sono:
\begin{itemize}
\item il valore di ritorno di \func{fork}.
\item il \textit{process id}. 
\item il \textit{parent process id} (quello del figlio viene settato al
  \acr{pid} del padre).
\item i valori dei tempi di esecuzione (\var{tms\_utime}, \var{tms\_stime},
  \var{tms\_cutime}, \var{tms\_uetime}) che nel figlio sono posti a zero.
\item i \textit{file lock}, che non vengono ereditati dal figlio.
\item gli allarmi pendenti, che per il figlio vengono cancellati.
\end{itemize}


\subsection{La funzione \func{vfork}}
\label{sec:proc_vfork}

La funzione \func{vfork} è esattamente identica a \func{fork} ed ha la stessa
semantica e gli stessi errori; la sola differenza è che non viene creata la
tabella delle pagine né la struttura dei task per il nuovo processo. Il
processo padre è posto in attesa fintanto che il figlio non ha eseguito una
\func{execve} o non è uscito con una \func{\_exit}. Il figlio condivide la
memoria del padre (e modifiche possono avere effetti imprevedibili) e non deve
ritornare o uscire con \func{exit} ma usare esplicitamente \func{\_exit}.

Questa funzione è un rimasuglio dei vecchi tempi in cui eseguire una
\func{fork} comportava anche la copia completa del segmento dati del processo
padre, che costituiva un inutile appesantimento in tutti quei casi in cui la
\func{fork} veniva fatto solo per poi eseguire una \func{exec}. La funzione
venne introdotta in BSD per migliorare le prestazioni.

Dato che Linux supporta il \textit{copy on write} la perdita di prestazioni è
assolutamente trascurabile, e l'uso di questa funzione (che resta un caso
speciale della funzione \func{clone}), è deprecato, per questo eviteremo di
trattarla ulteriormente.


\subsection{La conclusione di un processo.}
\label{sec:proc_termination}

In \secref{sec:proc_conclusion} abbiamo già affrontato le modalità con cui
concludere un programma, ma dal punto di vista del programma stesso; avendo a
che fare con un sistema multitasking occorre adesso affrontare l'argomento dal
punto di vista generale di come il sistema gestisce la conclusione dei
processi.

Abbiamo già visto in \secref{sec:proc_conclusion} le tre modalità con cui un
programma viene terminato in maniera normale: la chiamata di \func{exit} (che
esegue le funzioni registrate per l'uscita e chiude gli stream), il ritorno
dalla funzione \func{main} (equivalente alla chiamata di \func{exit}), e la
chiamata ad \func{\_exit} (che passa direttamente alle operazioni di
terminazione del processo da parte del kernel).

Ma oltre alla conclusione normale abbiamo accennato che esistono anche delle
modalità di conclusione anomala; queste sono in sostanza due: il programma può
chiamare la funzione \func{abort} per invocare una chiusura anomala, o essere
terminato da un segnale.  In realtà anche la prima modalità si riconduce alla
seconda, dato che \func{abort} si limita a generare il segnale
\macro{SIGABRT}.

Qualunque sia la modalità di conclusione di un processo, il kernel esegue
comunque una serie di operazioni: chiude tutti i file aperti, rilascia la
memoria che stava usando, e così via; l'elenco completo delle operazioni
eseguite alla chiusura di un processo è il seguente:
\begin{itemize}
\item tutti i descrittori dei file sono chiusi.
\item viene memorizzato lo stato di terminazione del processo.
\item ad ogni processo figlio viene assegnato un nuovo padre.
\item viene inviato il segnale \macro{SIGCHLD} al processo padre.
\item se il processo è un leader di sessione viene mandato un segnale di
  \macro{SIGHUP} a tutti i processi in background e il terminale di controllo
  viene disconnesso.
\item se la conclusione di un processe rende orfano un \textit{process group}
  ciascun membro del gruppo viene bloccato, e poi gli vengono inviati in
  successione i segnali \macro{SIGHUP} e \macro{SIGCONT}.
\end{itemize}
ma al di la di queste operazioni è necessario poter disporre di un meccanismo
ulteriore che consenta di sapere come questa terminazione è avvenuta; dato che
in un sistema unix-like tutto viene gestito attraverso i processi il
meccanismo scelto consiste nel riportare lo stato di terminazione
(\textit{termination status}) di cui sopra al processo padre.

Nel caso di conclusione normale, lo stato di uscita del processo viene
caratterizzato tremite il valore del cosiddetto \textit{exit status}, cioè il
valore passato alle funzioni \func{exit} o \func{\_exit} (o dal valore di
ritorno per \func{main}).  Ma se il processo viene concluso in maniera anomala
il programma non può specificare nessun \textit{exit status}, ed è il kernel
che deve generare autonomamente il \textit{termination status} per indicare le
ragioni della conclusione anomala.  

Si noti la distinzione fra \textit{exit status} e \textit{termination status}:
quello che contraddistingue lo stato di chiusura del processo e viene
riportato attraverso le funzioni \func{wait} o \func{waitpid} (vedi
\secref{sec:proc_wait}) è sempre quest'ultimo; in caso di conclusione normale
il kernel usa il primo (nel codice eseguito da \func{\_exit}) per produrre il
secondo.

La scelta di riportare al padre lo stato di terminazione dei figli, pur
essendo l'unica possibile, comporta comunque alcune complicazioni: infatti se
alla sua creazione è scontato che ogni nuovo processo ha un padre, non è detto
che sia così alla sua conclusione, dato che il padre protrebbe essere già
terminato (si potrebbe avere cioè quello che si chiama un processo
\textsl{orfano}). 

Questa complicazione viene superata facendo in modo che il processo figlio
venga \textsl{adottato} da \cmd{init}: come già accennato quando un processo
termina il kernel controlla se è il padre di altri processi in esecuzione: in
caso positivo allora il \acr{ppid} di tutti questi processi viene sostituito
con il \acr{pid} di \cmd{init} (e cioè con 1); in questo modo ogni processo
avrà sempre un padre (nel caso \textsl{adottivo}) cui riportare il suo stato
di terminazione.  Come verifica di questo comportamento eseguiamo il comando
\cmd{forktest -c2 3}, in questo modo ciascun figlio attenderà due secondi
prima di uscire, il risultato è:
\begin{verbatim}
[piccardi@selidor sources]$ ./forktest -c2 3
Test for forking 3 child
Spawned 1 child, pid 1973 
Child 1 successfully executing
Go to next child 
Spawned 2 child, pid 1974 
Child 2 successfully executing
Go to next child 
Child 3 successfully executing
Spawned 3 child, pid 1975 
Go to next child 
[piccardi@selidor sources]$ Child 3, parent 1, exiting
Child 2, parent 1, exiting
Child 1, parent 1, exiting
\end{verbatim}
come si può notare in questo caso il processo padre si conclude prima dei
figli, tornando alla shell, che stampa il prompt sul terminale: circa due
secondi dopo viene stampato a video anche l'output dei tre figli che
terminano, e come si può notare in questo caso, al contrario di quanto visto
in precedenza, essi riportano 1 come \acr{ppid}.

Altrettanto rilevante è il caso in cui il figlio termina prima del padre,
questo perché non è detto che il padre possa ricevere immediatamente lo stato
di terminazione, quindi il kernel deve comunque conservare una certa quantità
di informazioni riguardo ai processi che sta terminando.

Questo viene fatto mantenendo attiva la voce nella tabella dei processi, e
memorizzando alcuni dati essenziali, come il \acr{pid}, i tempi di CPU usati
dal processo (vedi \secref{sec:intro_unix_time}) e lo stato di terminazione
(NdA verificare esattamente cosa c'è!), mentre la memoria in uso ed i file
aperti vengono rilasciati immediatamente. I processi che sono terminati, ma il
cui stato di terminazione non è stato ancora ricevuto dal padre sono chiamati
\textit{zombie}, essi restano presenti nella tabella dei processi ed in genere
possono essere identificati dall'output di \cmd{ps} per la presenza di una
\cmd{Z} nella colonna che ne indica lo stato. Quando il padre effettuarà la
lettura dello stato di uscita anche questa informazione, non più necessaria,
verrà scartata e la terminazione potrà dirsi completamente conclusa.

Possiamo utilizzare il nostro programma di prova per analizzare anche questa
condizione: lanciamo il comando \cmd{forktest -e10 3 \&} in background,
indicando al processo padre di aspettare 10 secondi prima di uscire; in questo
caso, usando \cmd{ps} sullo stesso terminale (prima dello scadere dei 10
secondi) otterremo:
\begin{verbatim}
[piccardi@selidor sources]$ ps T
  PID TTY      STAT   TIME COMMAND
  419 pts/0    S      0:00 bash
  568 pts/0    S      0:00 ./forktest -e10 3
  569 pts/0    Z      0:00 [forktest <defunct>]
  570 pts/0    Z      0:00 [forktest <defunct>]
  571 pts/0    Z      0:00 [forktest <defunct>]
  572 pts/0    R      0:00 ps T
\end{verbatim} %$
e come si vede, dato che non si è fatto nulla per riceverne lo stato di
terminazione, i tre processi figli sono ancora presenti pur essendosi
conclusi, con lo stato di zombie e l'indicazione che sono stati terminati.

La possibilità di avere degli zombie deve essere tenuta sempre presente quando
si scrive un programma che deve essere mantenuto in esecuzione a lungo e
creare molti figli. In questo caso si deve sempre avere cura di far leggere
l'eventuale stato di uscita di tutti i figli (in genere questo si fa
attraverso un apposito \textit{signal handler}, che chiama la funzione
\func{wait}, vedi \secref{sec:sig_xxx} e \secref{sec:proc_wait}). Questa
operazione è necessaria perché anche se gli \textit{zombie} non consumano
risorse di memoria o processore, occupano comunque una voce nella tabella dei
processi, che a lungo andare potrebbe esaurirsi.

Si noti che quando un processo adottato da \cmd{init} termina, esso non
diviene uno \textit{zombie}; questo perché una delle funzioni di \cmd{init} è
appunto quella di chiamare la funzione \func{wait} per i processi cui fa da
padre, completandone la terminazione. Questo è quanto avviene anche quando,
come nel caso del precedente esempio con \cmd{forktest}, il padre termina con
dei figli in stato di zombie: alla sua terminazione infatti tutti i suoi figli
vengono ereditati (compresi gli zombie) verranno adottati da \cmd{init}, il
quale provvederà a completarne la terminazione.

Si tenga presente infine che siccome gli zombie sono processi già terminati,
non c'è modo di eliminarli con il comando \cmd{kill}; l'unica possibilità è
quella di terminare il processo che li ha generati, in modo che \cmd{init}
possa adottarli e provvedere a concludere la terminazione.


\subsection{Le funzioni \texttt{wait} e  \texttt{waitpid}}
\label{sec:proc_wait}

Abbiamo già visto in precedenza come uno degli usi possibili delle capacità
multitasking di un sistema unix-like consiste nella creazione di programmi di
tipo server, in cui un processo principale attende le richieste che vengono
poi soddisfatte creando una serie di processi figli. Si è gia sottolineato
come in questo caso diventi necessario gestire esplicitamente la conclusione
dei vari processi figli; le funzioni deputate a questo sono sostanzialmente
due, \func{wait} e \func{waitpid}. La prima, il cui prototipo è:
\begin{functions}
\headdecl{sys/types.h}
\headdecl{sys/wait.h}
\funcdecl{pid\_t wait(int * status)} 

Sospende il processo corrente finché un figlio non è uscito, o finché un
segnale termina il processo o chiama una funzione di gestione. Se un figlio è
già uscito la funzione ritorna immediatamente. Al ritorno lo stato di
termininazione del processo viene salvato nella variabile puntata da
\var{status} e tutte le informazioni relative al processo (vedi
\secref{sec:proc_termination}) vengono rilasciate.

La funzione restituisce il \acr{pid} del figlio in caso di successo e -1 in
caso di errore; \var{errno} può assumere i valori:
  \begin{errlist}
  \item \macro{EINTR} la funzione è stata interrotta da un segnale.
  \end{errlist}
\end{functions}
è presente fin dalle prime versioni di unix; la funzione ritorna alla
conclusione del primo figlio (o immediatamente se un figlio è già uscito), nel
caso un processo abbia più figli il valore di ritorno permette di identificare
qual'è quello che è uscito.

Questa funzione però ha il difetto di essere poco flessibile, in quanto
ritorna all'uscita di un figlio qualunque, per cui se si vuole attendere la
conclusione di un processo specifico occorre predisporre un meccanismo che
tenga conto dei processi già terminati, e ripeta la chiamata alla funzione nel
caso il processo cercato sia ancora attivo.

Per questo motivo lo standard Posix.1 ha introdotto \func{waitpid} che
effettua lo stesso servizio, ma dispone di una serie di funzionalità più
ampie; il suo prototipo è:
\begin{functions}
\headdecl{sys/types.h}
\headdecl{sys/wait.h}
\funcdecl{pid\_t waitpid(pid\_t pid, int * status, int options)} 

La funzione restituisce il \acr{pid} del figlio che è uscito, 0 se è stata
specificata l'opzione \macro{WNOHANG} e il figlio non è uscito e -1 per un
errore, nel qual caso \var{errno} assumerà i valori:
  \begin{errlist}
  \item \macro{EINTR} non è stata specificata l'opzione \macro{WNOHANG} e la
    funzione è stata interrotta da un segnale.
  \item \macro{ECHILD} il processo specificato da \var{pid} non esiste o non è
    figlio del processo chiamante.
  \end{errlist}
\end{functions}

Le differenze principali fra le due funzioni sono che \func{wait} si blocca
sempre fino a che un figlio non termina, mentre \func{waitpid} ha la
possibilità si specificare un'opzione, \macro{WNOHANG} che ne previene il
blocco, inoltre \func{waitpid} può specificare quale figlio attendere sulla
base del valore soecificato tramite la variabile \var{pid} secondo lo
specchietto riportato in \ntab:
\begin{table}[!htb]
  \centering
  \begin{tabular}[c]{|c|p{10cm}|}
    \hline
    \textbf{Valore} & \textbf{Significato}\\
    \hline
    \hline
    -1  & attende per un figlio qualsiasi, equivalente a \func{wait}\\ 
    > 0 & \\
    0   & \\
    < -1& \\
    \hline
  \end{tabular}
  \caption{Significato del parametro \var{pid} della funzione \func{waitpid}.}
  \label{tab:proc_waidpid_pid}
\end{table}



Come abbiamo appena visto una delle azioni prese dal kernel alla terminazione
di un processo è quella di salvarne lo stato e mandare un segnale di
\macro{SIGCHLD} al padre (torneremo su questa parte in \secref{sec:sig_xxx}).


\subsection{Le funzioni \texttt{exec}}
\label{sec:proc_exec}




\section{Il controllo di accesso}
\label{sec:proc_perms}

In questa sezione esamineremo le problematiche relative al controllo di
accesso dal punto di vista del processi; gli identificativi usati, come questi
vengono modificati nella creazione e nel lancio di nuovi processi, e le varie
funzioni per la loro manipolazione diretta.


\subsection{Utente e gruppo di un processo}
\label{sec:proc_user_group}

Abbiamo già accennato in \secref{sec:intro_multiuser} ad ogni utente ed gruppo
sono associati due identificatori univoci, lo \acr{uid} e il \acr{gid} che li
contraddistinguono nei confronti del kernel. Questi identificatori stanno alla
base del sistema di permessi e protezioni di un sistema unix, e vengono usati
anche nella gestione dei privilegi di accesso dei processi.

In realtà ad ogni processo è associato un certo numero di identificatori, il
cui elenco è riportato \ntab, in genere questi derivano direttamente
dall'utente che ha lanciato il processo (attraverso i valori di \acr{uid} e
\acr{gid}), e vengono usati sia per il controllo di accesso ai file che per la
gestione dei privilegi associati ai processi stessi.
\begin{table}[htb]
  \centering
  \begin{tabular}[c]{|c|l|l|}
    \hline
    Sigla & Significato & Utilizzo \\ 
    \hline
    \hline
    \acr{ruid} & \textit{real user id} & indica l'utente reale che ha lanciato
    il programma\\ 
    \acr{rgid} & \textit{real group id} & indica il gruppo reale dell'utente 
    che ha lanciato il programma \\ 
    \acr{euid} & \textit{effective user id} & indica l'utente effettivo usato
    dal programma \\ 
    \acr{egid} & \textit{effective group id} & indica il gruppo effettivo usato
    dal programma \\ 
               & \textit{supplementary group id} & indica i gruppi cui
    l'utente appartiene  \\ 
    \acr{suid} & \textit{saved user id} & indica l'utente  \\ 
    \acr{sgid} & \textit{daved group id} & indica il gruppo  \\ 
    \acr{fsuid} & \textit{filesystem user id} & indica l'utente effettivo per
    il filesystem \\ 
    \acr{fsgid} & \textit{filesystem group id} & indica il gruppo effettivo
    per il filesystem  \\ 
    \hline
  \end{tabular}
  \caption{Identificatori di utente e gruppo associati a ciascun processo.}
  \label{tab:proc_uid_gid}
\end{table}

Il \textit{real user id} e il \textit{real group id} indicano l'utente che ha
lanciato il processo, e vengono settati al login al valore standard di
\acr{uid} e \acr{gid} dell'utente letti direttamente da \file{/etc/passwd}.
Questi non vengono mai cambiati nella creazione di nuovi processi e restano
sempre gli stessi per tutti i processi avviati in una sessione. In realtà è
possibile modificarli (vedi \secref{sec:proc_setuid}), ma solo per un processo
che abbia i privilegi di amministratore (ed è così infatti che \cmd{login},
che gira con i privilegi di amministratore, li setta ai valori corrispondenti
all'utente che entra nel sistema).

L'\textit{effective user id}, l'\textit{effective group id} e gli eventuali
\textit{supplementary group id} sono gli identificativi usati per il controllo
di accesso ai file secondo quanto descritto in dettaglio in
\secref{sec:file_perm_overview}. Normalmente sono uguali al \textit{real user
  id} e al \textit{real group id}, a meno che il file posto in esecuzione non
abbia i bit \acr{suid} o \acr{sgid} settati, nel qual caso vengono settati
rispettivamente all'\acr{uid} e \acr{gid} del file.

Il \textit{saved user id} e il \textit{saved group id} sono copie
dell'\textit{effective user id} e dell'\textit{effective group id} del
processo padre, e vengono settati all'avvio del processo, prima che
\textit{effective user id} e \textit{effective group id} vengano modificati
per tener conto di eventuali \acr{suid} o \acr{sgid}.


\subsection{Le funzioni \texttt{setuid} e \texttt{setgid}}
\label{sec:proc_setuid}


\subsection{Le funzioni \texttt{seteuid} e \texttt{setegid}}
\label{sec:proc_seteuid}