prochand.tex

   1 \chapter{La gestione dei processi}
   2 \label{cha:process_handling}
   3
   4 Come accennato nell'introduzione in un sistema unix ogni attività del sistema
   5 viene svolta tramite i processi.  In sostanza i processi costituiscono l'unità
   6 base per l'allocazione e l'uso delle risorse del sistema.
   7
   8 Nel precedente capitolo abbiamo visto come funziona un singolo processo, in
   9 questo capitolo affronteremo i dettagli della creazione e della distruzione
  10 dei processi, della gestione dei loro attributi e privilegi, e di tutte le
  11 funzioni a questo connesse.
  12
  13
  14 \section{Introduzione}
  15 \label{sec:proc_gen}
  16
  17 Partiremo con una introduzione generale ai concetti che stanno alla base della
  18 gestione dei processi in unix. Introdurremo in questa sezione l'architettura
  19 della gestione dei processi e le sue principali caratteristiche, e daremo una
  20 panoramica sull'uso delle principali funzioni per la gestione dei processi.
  21
  22 \subsection{La gerarchia dei processi}
  23 \label{sec:proc_hierarchy}
  24
  25 A differenza di quanto avviene in altri sistemi (ad esempio nel VMS la
  26 generazione di nuovi processi è un'operazione privilegiata) una delle
  27 caratteristiche di unix (che esamineremo in dettaglio più avanti) è che
  28 qualunque processo può a sua volta generarne altri, detti processi figli
  29 (\textit{child process}). Ogni processo è identificato presso il sistema da un
  30 numero unico, il \acr{pid} (da \textit{process identifier}).
  31
  32 Una seconda caratteristica è che la generazione di un processo è una
  33 operazione separata rispetto al lancio di un programma. In genere la sequenza
  34 è sempre quella di creare un nuovo processo, il quale si eseguirà, in un passo
  35 successivo, il programma voluto: questo è ad esempio quello che fa la shell
  36 quando mette in esecuzione il programma che gli indichiamo nella linea di
  37 comando.
  38
  39 Una terza caratteristica è che ogni processo viene sempre generato da un altro
  40 che viene chiamato processo genitore (\textit{parent process}). Questo vale
  41 per tutti i processi, con una eccezione (dato che ci deve essere un punto di
  42 partenza), esiste sempre infatti un processo speciale, che normalmente è
  43 \cmd{/sbin/init}, che viene lanciato dal kernel quando questo ha finito la
  44 fase di avvio, esso essendo il primo processo lanciato ha sempre il \acr{pid}
  45 uguale a 1 e non è figlio di nessuno.
  46
  47 Questo è ovviamente un processo speciale, che in genere si occupa di far
  48 partire tutti gli processi altri necessari al funzionamento del sistema,
  49 inoltre \cmd{init} è essenziale per svolgere una serie di compiti
  50 amministrativi nelle operazioni ordinarie del sistema (torneremo si alcuni di
  51 essi in \secref{}) e non può mai essere terminato. La struttura del sistema
  52 comunque consente di lanciare al posto di \cmd{init} qualunque altro programma
  53 (e in casi di emergenza, ad esempio se il file di \cmd{init} si fosse
  54 corrotto, è possibile farlo ad esempio passando la riga \cmd{init=/bin/sh}
  55 all'avvio).
  56
  57 Dato che tutti i processi successivi sono comunque generati da \cmd{init} o da
  58 suoi figli tutto ciò comporta che, i processi sono organizzati gerarchicamente
  59 dalla relazione fra genitori e figli, in maniera analoga a come i file sono
  60 organizzati in un albero di directory con alla base \file{/} (si veda
  61 \secref{sec:file_file_struct}); in questo caso alla base dell'albero c'è il
  62 processo \cmd{init} che è progenitore di ogni altro processo\footnote{in
  63   realtà questo non è del tutto vero, in Linux ci sono alcuni processi che pur
  64   comparendo come figli di init (ad esempio in \cmd{pstree}) sono generati
  65   direttamente dal kernel, come \cmd{keventd}, \cmd{kswapd}, etc.}.
  66
  67
  68 \subsection{Una panoramica sulle funzioni di gestione}
  69 \label{sec:proc_handling_intro}
  70
  71 I processi vengono creati dalla funzione \func{fork}; in molti unix questa è
  72 una system call, Linux però usa un'altra nomenclatura, e la funzione fork è
  73 basata a sua volta sulla system call \func{\_\_clone}, che viene usata anche
  74 per generare i \textit{thread}.  Il processo figlio creato dalla \func{fork} è
  75 una copia identica del processo processo padre, ma ha nuovo \acr{pid} e viene
  76 eseguito in maniera indipendente (le differenze fra padre e figlio sono
  77 affrontate in dettaglio in \secref{sec:proc_fork}).
  78
  79 Se si vuole che il processo padre si fermi fino alla conclusione del processo
  80 figlio questo deve essere specificato subito dopo la \func{fork} chiamando la
  81 funzione \func{wait} o la funzione \func{waitpid}; queste funzioni
  82 restituiscono anche una informazione abbastanza limitata (il codice di uscita)
  83 sulle cause della terminazione del processo.
  84
  85 Quando un processo ha concluso il suo compito o ha incontrato un errore non
  86 risolvibile esso può essere terminato con la funzione \func{exit} (si veda
  87 quanto discusso in \secref{sec:proc_termination}). La vita del processo però
  88 termina solo quando la notifica della sua conclusione viene ricevuta dal
  89 processo padre, a quel punto tutte le risorse allocate nel sistema ad esso
  90 associate vengono rilasciate.
  91
  92 Avere due processi che eseguono esattamente lo stesso codice non è molto
  93 utile, normalmente si genera un secondo processo per affidargli l'esecuzione
  94 di un compito specifico (ad esempio gestire una connessione dopo che questa è
  95 stata stabilita), o fargli eseguire (come fa la shell) un altro programma. Per
  96 quest'ultimo caso si usa la seconda funzione fondamentale per programmazione
  97 coi processi che è la \func{exec}.
  98
  99 Il programma che un processo sta eseguendo si chiama immagine del processo (o
 100 \textit{process image}), le funzioni della famiglia \func{exec} permettono di
 101 caricare un'altro programma da disco sostituendo quest'ultimo all'immagine
 102 corrente; questo fa si che l'immagine precedente venga completamente
 103 cancellata. Questo significa che quando il nuovo programma esce anche il
 104 processo termina, e non si può tornare alla precedente immagine.
 105
 106 Per questo motivo la \func{fork} e la \func{exec} sono funzioni molto
 107 particolari con caratteristiche uniche rispetto a tutte le altre, infatti la
 108 prima ritorna due volte (nel processo padre e nel figlio) mentre la seconda
 109 non ritorna mai (in quanto con essa viene eseguito un altro programma).
 110
 111
 112
 113 \section{La gestione dei processi}
 114 \label{sec:proc_handling}
 115
 116 In questa sezione tratteremo le funzioni per la gestione dei processi, a
 117 partire dalle funzioni elementari che permettono di leggerne gli
 118 identificatori, alle varie funzioni di manipolazione dei processi, che
 119 riguardano la lore creazione, terminazione, e la messa in esecuzione di altri
 120 programmi.
 121
 122
 123 \subsection{Gli identificatori dei processi}
 124 \label{sec:proc_pid}
 125
 126 Come accennato nell'introduzione ogni processo viene identificato dal sistema
 127 da un numero identificativo unico, il \textit{process id} o \acr{pid};
 128 quest'ultimo è un tipo di dato standard, il \type{pid\_t} che in genere è un
 129 intero con segno (nel caso di Linux e delle glibc il tipo usato è \type{int}).
 130
 131 Il \acr{pid} viene assegnato in forma progressiva ogni volta che un nuovo
 132 processo viene creato, fino ad un limite massimo (in genere essendo detto
 133 numero memorizzato in un intero a 16 bit si arriva a 32767) oltre il quale si
 134 riparte dal numero più basso disponibile (FIXME: verificare, non sono sicuro).
 135 Per questo motivo processo il processo di avvio (\cmd{init}) ha sempre il
 136 \acr{pid} uguale a uno.
 137
 138 Tutti i processi inoltre memorizzano anche il \acr{pid} del genitore da cui
 139 sono stati creati, questo viene chiamato in genere \acr{ppid} (da
 140 \textit{parent process id}) ed è normalmente utilizzato per il controllo di
 141 sessione.  Questi due identificativi possono essere ottenuti da programma
 142 usando le funzioni:
 143 \begin{functions}
 144 \headdecl{sys/types.h}
 145 \headdecl{unistd.h}
 146 \funcdecl{pid\_t getpid(void)} restituisce il pid del processo corrente.
 147 \funcdecl{pid\_t getppid(void)} restituisce il pid del padre del processo
 148     corrente.
 149
 150 Entrambe le funzioni non riportano condizioni di errore.
 151 \end{functions}
 152
 153 Il fatto che il \acr{pid} sia un numero univoco per il sistema lo rende il
 154 candidato ideale per generare ultieriori indicatori associati al processo di
 155 cui diventa possibile garantire l'unicità: ad esempio la funzione
 156 \func{tmpname} (si veda \secref{sec:file_temp_file}) usa il \acr{pid} per
 157 generare un pathname univoco, che non potrà essere replicato da un'altro
 158 processo che usi la stessa funzione.
 159
 160 Tutti i processi figli dello stesso processo padre sono detti
 161 \textit{sibling}, questa è un'altra delle relazioni usate nel controllo di
 162 sessione, in cui si raggruppano tutti i processi creati su uno stesso
 163 terminale una volta che si è effettuato il login. Torneremo su questo
 164 argomento in \secref{cap:terminal}, dove esamineremo tutti gli altri
 165 identificativi associati ad un processo relativi al controllo di sessione.
 166
 167
 168 \subsection{La funzione \func{fork}}
 169 \label{sec:proc_fork}
 170
 171 La funzione \func{fork} è la funzione fondamentale della gestione dei processi
 172 in unix; come si è detto l'unico modo di creare un nuovo processo è attraverso
 173 l'uso di questa funzione, che è quindi la base per il multitasking; il protipo
 174 della funzione è:
 175
 176 \begin{functions}
 177   \headdecl{sys/types.h}
 178   \headdecl{unistd.h}
 179
 180   \funcdecl{pid\_t fork(void)}
 181
 182   Restituisce zero al padre e il \acr{pid} al figlio in caso di successo,
 183   ritorna -1 al padre (senza creare il figlio) in caso di errore;
 184   \texttt{errno} può assumere i valori:
 185   \begin{errlist}
 186   \item \macro{EAGAIN} non ci sono risorse sufficienti per creare un'altro
 187     processo (per allocare la tabella delle pagine e le strutture del task) o
 188     si è esaurito il numero di processi disponibili.
 189   \item \macro{ENOMEM} non è stato possibile allocare la memoria per le
 190     strutture necessarie al kernel per creare il nuovo processo.
 191   \end{errlist}
 192 \end{functions}
 193
 194 Dopo l'esecuzione di una \func{fork} sia il processo padre che il processo
 195 figlio continuano ad essere eseguiti normalmente alla istruzione seguente la
 196 \func{fork}; il processo figlio è però una copia del padre, e riceve una copia
 197 dei segmenti di testo, stack e dati (vedi \secref{sec:proc_mem_layout}), ed
 198 esegue esattamente lo stesso codice del padre, ma la memoria è copiata, non
 199 condivisa\footnote{In generale il segmento di testo, che è identico, è
 200   condiviso e tenuto in read-only, linux poi utilizza la tecnica del
 201   \textit{copy-on-write}, per cui la memoria degli altri segmenti viene
 202   copiata dal kernel per il nuovo processo solo in caso di scrittura, rendendo
 203   molto più efficiente il meccanismo} pertanto padre e figlio vedono variabili
 204 diverse.
 205
 206 La differenza che si ha nei due processi è che nel processo padre il valore di
 207 ritorno della funzione fork è il \acr{pid} del processo figlio, mentre nel
 208 figlio è zero; in questo modo il programma può identificare se viene eseguito
 209 dal padre o dal figlio.
 210
 211 Si noti come la funzione \fucn{fork} ritorni \textbf{due} volte: nel padre e
 212 nel figlio. La sola differenza che si ha nei due processi è il valore di
 213 ritorno restituito dalla funzione, che nel padre è il \acr{pid} del figlio
 214 mentre nel figlio è zero; in questo modo il programma può identificare se
 215 viene eseguito dal padre o dal figlio. La scelta di questi valori comunque non
 216 è casuale, un processo infatti può avere più figli, ed il valore di ritorno di
 217 \func{fork} è l'unico modo che permette di idenficare quello appena creato; al
 218 contrario un figlio ha sempre un solo padre (il cui \acr{pid} può sempre
 219 essere ottenuto con \func{getppid}, vista in \secref{sec:proc_pid}) e si usa
 220 il valore nullo, che non può essere il \acr{pid} di nessun processo.
 221
 222 In generale non si può dire se il quale fra il padre ed il figlio venga
 223 eseguito per primo\footnote{anche se nel kernel 2.4.x è stato introdotto un
 224   meccanismo che metteva in esecuzione sempre il xxx per primo (TODO
 225   recuperare le informazioni esatte)}, per cui se i due processi devono essere
 226 sincronizzati occorre ricorrere ad un qualche meccanismo di
 227 intercomunicazione.
 228
 229
 230
 231
 232 \subsection{Le funzioni \texttt{wait} e  \texttt{waitpid}}
 233 \label{sec:proc_wait}
 234
 235
 236 \subsection{Le funzioni \texttt{exec}}
 237 \label{sec:proc_exec}
 238
 239
 240
 241
 242 \section{Il controllo di accesso}
 243 \label{sec:proc_perms}
 244
 245 In questa sezione esamineremo le problematiche relative al controllo di
 246 accesso dal punto di vista del processi; gli identificativi usati, come questi
 247 vengono modificati nella creazione e nel lancio di nuovi processi, e le varie
 248 funzioni per la loro manipolazione diretta.
 249
 250
 251 \subsection{Utente e gruppo di un processo}
 252 \label{sec:proc_user_group}
 253
 254 Abbiamo già accennato in \secref{sec:intro_multiuser} ad ogni utente ed gruppo
 255 sono associati due identificatori univoci, lo \acr{uid} e il \acr{gid} che li
 256 contraddistinguono nei confonti del kernel. Questi identificatori stanno alla
 257 base del sistema di permessi e protezioni di un sistema unix, e vengono usati
 258 anche nella gestione dei privilegi di accesso dei processi.
 259
 260 In realtà ad ogni processo è associato un certo numero di identificatori, il
 261 cui elenco è riportato \ntab, in genere questi derivano direttamente
 262 dall'utente che ha lanciato il processo (attraverso i valori di \acr{uid} e
 263 \acr{gid}), e vengono usati sia per il controllo di accesso ai file che per la
 264 gestione dei privilegi associati ai processi stessi.
 265 \begin{table}[htb]
 266   \centering
 267   \begin{tabular}[c]{|c|l|l|}
 268     \hline
 269     Sigla & Significato & Utilizzo \\
 270     \hline
 271     \hline
 272     \acr{ruid} & \textit{real user id} & indica l'utente reale che ha lanciato
 273     il programma\\
 274     \acr{rgid} & \textit{real group id} & indica il gruppo reale dell'utente
 275     che ha lanciato il programma \\
 276     \acr{euid} & \textit{effective user id} & indica l'utente effettivo usato
 277     dal programma \\
 278     \acr{egid} & \textit{effective group id} & indica il gruppo effettivo usato
 279     dal programma \\
 280                & \textit{supplementary group id} & indica i gruppi cui
 281     l'utente appartiene  \\
 282     \acr{suid} & \textit{saved user id} & indica l'utente  \\
 283     \acr{sgid} & \textit{daved group id} & indica il gruppo  \\
 284     \acr{fsuid} & \textit{filesystem user id} & indica l'utente effettivo per
 285     il filesystem \\
 286     \acr{fsgid} & \textit{filesystem group id} & indica il gruppo effettivo
 287     per il filesystem  \\
 288     \hline
 289   \end{tabular}
 290   \caption{Identificatori di utente e gruppo associati a ciascun processo.}
 291   \label{tab:proc_uid_gid}
 292 \end{table}
 293
 294 Il \textit{real user id} e il \textit{real group id} indicano l'utente che ha
 295 lanciato il processo, e vengono settati al login al valore standard di
 296 \acr{uid} e \acr{gid} dell'utente letti direttamente da \file{/etc/passwd}.
 297 Questi non vengono mai cambiati nella creazione di nuovi processi e restano
 298 sempre gli stessi per tutti i processi avviati in una sessione. In realtà è
 299 possibile modificarli (vedi \secref{sec:proc_setuid}), ma solo per un processo
 300 che abbia i privilegi di amministratore (ed è così infatti che \cmd{login},
 301 che gira con i privilegi di amministratore, li setta ai valori corrispondenti
 302 all'utente che entra nel sistema).
 303
 304 L'\textit{effective user id}, l'\textit{effective group id} e gli eventuali
 305 \textit{supplementary group id} sono gli identificativi usati per il controllo
 306 di accesso ai file secondo quanto descritto in dettaglio in
 307 \secref{sec:file_perm_overview}. Normalmente sono uguali al \textit{real user
 308   id} e al \textit{real group id}, a meno che il file posto in esecuzione non
 309 abbia i bit \acr{suid} o \acr{sgid} settati, nel qual caso vengono settati
 310 rispettivamente all'\acr{uid} e \acr{gid} del file.
 311
 312 Il \textit{saved user id} e il \textit{saved group id} sono copie
 313 dell'\textit{effective user id} e dell'\textit{effective group id} del
 314 processo padre, e vengono settati all'avvio del processo, prima che
 315 \textit{effective user id} e \textit{effective group id} vengano modificati
 316 per tener conto di eventuali \acr{suid} o \acr{sgid}.
 317
 318
 319 \subsection{Le funzioni \texttt{setuid} e \texttt{setgid}}
 320 \label{sec:proc_setuid}
 321
 322
 323 \subsection{Le funzioni \texttt{seteuid} e \texttt{setegid}}
 324 \label{sec:proc_seteuid}
 325