-\chapter{Il funzionamento di un processo unix}
-\label{cha:process}
+\chapter{L'interfaccia base con i processi}
+\label{cha:process_interface}
-Prima di entrare nei dettagli di come un sistema unix gestisce la presenza di
-molti processi concorrenti daremo una descrizione del funzionamento di un
-singolo processo, come viene posto in esecuzione, come viene terminato, come
-vede la memoria e la può gestire, come può ricevere e gestire i parametri.
+Come accennato nell'introduzione il processo è l'unità di base con cui un
+sistema unix alloca ed utilizza le risorse. Questo capitolo tratterà
+l'interfaccia base fra il sistema e i processi, su come vengono passati i
+parametri, come viene gestita e allocata la memoria, su come un processo può
+richiedere servizi al sistema, su cosa deve fare quando ha finito la sua
+esecuzione.
+In genere un programma viene eseguito quando un processo lo fa partire
+eseguendo una funzione della famiglia \func{exec}; torneremo su questo e
+sulla la creazione e gestione dei processi nel prossimo capitolo, in questo
+affronteremo l'avvio e il funzionamento di un singolo processo partendo dal
+punto di vista del programma posto in esecuzione.
-\section{La funzione \texttt{main}}
-\label{sec:proc_}
+\section{Esecuzione e conclusione di un programma}
-\subsection{}
-\label{sec:proc_}
+Una delle concetti base relativi ai processi è che un processo esegue sempre
+uno ed un solo programma: si possono avere più processi che eseguono lo stesso
+programma ma ciascun processo vedrà la sua copia del codice (in realtà il
+kernel fa si che tutte le parti uguali siano condivise) avrà un suo spazio di
+indirizzi, variabili proprie e sarà eseguito in maniera completamente
+indipendente da tutti gli altri.
+Anche quando all'interno di un programma possono essere presenti più
+\textsl{filoni} di esecuzione (i cosiddetti \textit{thread}), o questo possa
+essere composto da moduli multipli completamente separati, quando questo sarà
+posto in esecuzione esso apparirà al sistema come un solo processo (il
+discorso dei \textit{thread} comunque in Linux necessita di una trattazione a
+parte per la peculiarità dell'implementazione).
+\subsection{La funzione \func{main}}
+\label{sec:proc_main}
-\subsection{La funzione \texttt{exit}}
+Quando un programma viene lanciato il kernel esegue una opportuna routine di
+avvio, usando il programma \cmd{ld-linux.so}, è questo programma che prima
+carica le librerie condivise che servono al programma, effettua il link
+dinamico del codice e poi alla fine lo esegue. Infatti, a meno di non aver
+specificato il flag \texttt{-static} durante la compilazione, tutti i
+programmi in Linux sono incompleti e necessitano di essere linkati alle
+librerie condivise quando vengono avviati. La procedura è controllata da
+alcune variabili di ambiente e dal contenuto di \file{/etc/ld.so.conf}, i
+dettagli sono riportati nella man page di \cmd{ld.so}.
+
+Il sistema fa partire qualunque programma chiamando la funzione \func{main};
+sta al programmatore chiamare così la funzione principale del programma da cui
+si suppone iniziale l'esecuzione; in ogni caso senza questa funzione lo stesso
+linker darebbe luogo ad errori.
+
+Lo standard ISO C specifica che la funzione \func{main} può non avere
+argomenti o prendere due argomenti che rappresentano gli argomenti passati da
+linea di comando, in sostanza un prototipo che va sempre bene è il seguente:
+\begin{lstlisting}[labelstep=0,frame=,indent=1cm]{}
+ int main (int argc, char *argv[])
+\end{lstlisting}
+
+In realtà nei sistemi unix esiste un'altro modo per definire la funzione
+\func{main}, che prevede la presenza di un terzo parametro, \var{char
+ *envp[]}, che fornisce l'\textsl{ambiente} (vedi \secref{sec:proc_environ})
+del programma; questa forma però non è prevista dallo standard POSIX.1 per cui
+se si vogliono scrivere programmi portabili è meglio evitarla.
+
+
+\subsection{Come chiudere un programma}
+\label{sec:proc_conclusion}
+
+La via normale per la quale un programma finisce è quando la funzione
+\func{main} ritorna, una modalità equivalente di conclusione è quella di
+chiamare direttamente la funzione \func{exit} (che viene comunque chiamata
+dalla routine di avvio del programma quando la funzione \func{main} ritorna).
+Una forma alternativa è quella di chiamare direttamente la system call
+\func{\_exit} che passa il controllo direttamente al kernel.
+
+Oltre alla conclusione ``normale'' esiste anche la possibilità di una
+conclusione ``anomala'' del programma a causa di segnali o della chiamata alla
+funzione \func{abort} (che comunque genera un segnale che termina il
+programma); torneremo su questo in \secref{sec:proc_termination}.
+
+Il valore di ritorno della funzione main, o quello usato nelle chiamate ad
+\func{exit} e \func{\_exit}, viene chiamato \textit{exit status} e passato
+al processo padre che aveva lanciato il programma (in genere la shell). In
+generale si usa questo valore per fornire un'informazione generica sulla
+riuscita o il fallimento del programma; l'informazione è necessariamente
+generica, ed il valore deve essere compreso fra 0 e 255.
+
+In generale si usa la convenzione di restituire 0 in caso di successo e 1 in
+caso di fallimento, i programmi che effettuano dei confronti (come
+\cmd{diff}) usano invece una notazione leggermente diversa, usando 0 per
+indicare la corrispondenza, 1 per indicare la non corrispondenza e 2 per
+indicare l'incapacità di effettuare il confronto. È opportuno adottare una di
+queste convenzioni a seconda dei casi. Si tenga presente che se si raggiunge
+la fine della funzione \func{main} senza ritornare esplicitamente si ha un
+valore di uscita indefinito, è pertanto consigliabile di concludere sempre in
+maniera esplicita detta funzione.
+
+Una altra convenzione riserva i valori da 128 in su per usi speciali, ad
+esempio 128 viene usato per indicare l'incapacità di eseguire un altro
+programma in un sottoprocesso. Benché anche questa convenzione non sia
+universalmente seguita è una buona idea tenerne conto.
+
+Si tenga presente inoltre che non è una buona idea usare il valore dell'errore
+restituito dalla variabile \var{errno} come stato di uscita, in generale
+una shell non si cura di tutto questo e comunque il valore dello stato di
+uscita è sempre troncato ad 8 bit, per cui si potrebbe incorrere nel caso in
+cui l'errore 256, diventando zero, verrebbe interpretato come un successo. In
+\file{stdlib.h} sono definite due macro \macro{EXIT\_SUCCESS} e
+\macro{EXIT\_FAILURE}, che in Linux sono poste rispettivamente ai valori 0 e
+1 (di tipo \type{int}), seguendo lo standard POSIX.
+
+Infine occorre distinguere fra lo stato di uscita di un programma
+(l'\textit{exit status}) e lo stato di conclusione di un processo (il
+\textit{termination status}), abbiamo già accennato infatti che è comunque
+possibile un processo possa essere terminato (da un segnale) prima che il
+programma in esecuzione si sia concluso. In caso di conclusione normale del
+programma però lo stato di uscita diventa parte dello stato di conclusione del
+processo (vedi \secref{sec:proc_termination}).
+
+
+\subsection{Le funzioni \func{exit} e \func{\_exit}}
\label{sec:proc_exit}
+Come accennato funzioni per l'uscita ``normale'' da un programma sono due, la
+prima è la funzione \func{exit} che è definita dallo standard ANSI C; il
+prototipo della funzione è il seguente:
+\begin{prototype}{stdlib.h}{void exit(int status)}
+ Causa la conclusione ordinaria del programma restituendo il valore
+ \var{status} al processo padre.
+
+ La funzione non ritorna. Il processo viene terminato
+\end{prototype}
+
+La funzione \func{exit} è pensata per una conclusione pulita di un programma
+che usa le librerie standard del C; essa esegue tutte le funzioni che sono
+state registrate con \func{atexit} e \func{on\_exit} (vedi
+\secref{sec:proc_atexit}), e chiude tutti gli stream di I/O effettuando il
+salvataggio dei dati sospesi (chiamando \func{fclose}, vedi
+\secref{sec:file_fclose}), infine ripassa il controllo al kernel chiamando
+\func{\_exit} e passando il valore \var{status} come stato di uscita.
+
+La system call \func{\_exit} restituisce direttamente il controllo al
+kernel, concludendo immediatamente il processo, le eventuali funzioni
+registrate con \func{atexit} e \func{on\_exit} non vengono eseguite. Il
+prototipo della funzione è il seguente:
+\begin{prototype}{unistd.h}{void \_exit(int status)}
+ Causa la conclusione immediata del programma restituendo il valore
+ \var{status} al processo padre.
+
+ La funzione non ritorna. Il processo viene terminato.
+\end{prototype}
+
+La funzione chiude tutti i file descriptor appartenenti al processo (sui tenga
+presente che questo non comporta il salvataggio dei dati bufferizzati degli
+stream), fa si che ogni figlio del processo sia ereditato da \cmd{init}
+(vedi \secref{cha:process_handling}), manda un segnale \macro{SIGCHLD} al
+processo padre (vedi \ref{sec:sig_job_control}) ed infine ritorna lo stato di
+uscita specificato in \var{status} che può essere raccolto usando la
+funzione \func{wait} (vedi \secref{sec:proc_wait}).
+
+
+\subsection{Le funzioni \func{atexit} e \func{on\_exit}}
+\label{sec:proc_atexit}
+
+Come accennato l'uso di \func{exit} al posto della \func{\_exit} è fatto
+principalmente per permettere una uscita pulita dalle funzioni delle librerie
+standard del C (in particolare per quel che riguarda la chiusura degli
+stream).
+
+Quando si realizza una libreria da usare in varie applicazioni può essere
+perciò utile evitare di richiedere di chiamare esplicitamente un funzione di
+uscita che esegua tutte le operazioni di pulizia prima di uscire (come quella
+di salvare eventuali dati sospesi). È invece molto meno soggetto ad errori e
+completamente trasparente all'utente poter effettuare una chiamata automatica
+di una funzione che effettui tali operazioni all'uscita dal programma.
+
+A questo scopo lo standard ANSI C prevede la possibilità di registrare un
+certo numero funzioni che verranno eseguite all'uscita dal programma (sia per
+la chiamata ad \func{exit} che per il ritorno di \func{main}). La prima
+funzione che si può utilizzare a tal fine è:
+\begin{prototype}{stdlib.h}{void atexit(void (*function)(void))}
+ Registra la funzione \var{function} per essere chiamata all'uscita dal
+ programma.
+
+ La funzione restituisce 0 in caso di successo e -1 in caso di fallimento,
+ \texttt{errno} non viene settata.
+\end{prototype}
+
+La funzione richiede come argomento l'indirizzo della opportuna da chiamare
+all'uscita che non deve prendere argomenti e non deve ritornare niente. Una
+estensione di \func{atexit} è la funzione \func{on\_exit} (che la glibc
+include per compatibilità con SunOS e che non è detto sia definita su altri
+sistemi), il cui prototipo è:
+\begin{prototype}{stdlib.h}
+{void on\_exit(void (*function)(int status, void *arg), void *arg)}
+ Registra la funzione \var{function} per essere chiamata all'uscita dal
+ programma. Tutte le funzioni registrate vengono chiamate in ordine inverso
+ rispetto a quello di registrazione.
+
+ La funzione restituisce 0 in caso di successo e -1 in caso di fallimento,
+ \var{errno} non viene settata.
+\end{prototype}
+
+In questo caso la funzione da chiamare prende due parametri, il primo dei
+quali sarà inizializzato allo stato di uscita con cui è stata chiamata
+\func{exit} ed il secondo al puntatore generico specificato come secondo
+argomento nella chiamata di \func{on\_exit}.
+
+Nella sequenza di chiusura tutte le funzioni registrate verranno chiamate in
+ordine inverso rispetto a quello di registrazione (ed una stessa funzione
+registrata più volte sarà chiamata più volte); poi verranno chiusi tutti gli
+stream aperti, infine verrà chiamata \func{\_exit}.
+
+
+\subsection{Conclusioni}
+\label{sec:proc_term_conclusion}
+
+Data l'importanza dell'argomento è opportuno sottolineare ancora una volta che
+in un sistema unix l'unico modo in cui un programma può essere eseguito dal
+kernel è attraverso la chiamata alla system call \func{execve} (in genere
+attraverso una delle funzioni \func{exec} che vedremo in
+\secref{sec:proc_exec}).
+
+Allo stesso modo l'unico modo in cui un programma può concludere
+volontariamente la sua esecuzione è attraverso una chiamata alla system call
+\func{\_exit} sia esplicitamente o che in maniera indiretta attraverso l'uso
+di \func{exit} o il ritorno della funzione \func{main}.
+
+Lo schema delle modalità con cui si avvia e conclude normalmente un programma
+è riportato in \nfig.
+
+\begin{figure}[htb]
+ \centering
+
+ \caption{Schema dell'avvio e della conclusione di un programma.}
+ \label{fig:proc_prog_start_stop}
+\end{figure}
+
+Si ricordi infine che un programma può anche essere interrotto dall'esterno
+attraverso l'uso di un segnale (modalità di conclusione non mostrata in
+\curfig); torneremo su questo aspetto in \secref{cha:signals}.
+
+
+
+\section{I processi e l'uso della memoria}
+\label{sec:proc_memory}
+
+Una delle risorse base che ciascun processo ha a disposizione è la memoria, ed
+uno degli aspetti più complessi di un sistema unix (ed in particolar modo di
+Linux) è appunto la gestione della memoria. Qui ci occuperemo però di come la
+memoria viene vista dal punto di vista di un programma in esecuzione in un
+processo.
+
+
+\subsection{I concetti generali}
+\label{sec:proc_mem_gen}
+
+Ci sono vari modi in cui i vari sistemi organizzano la memoria (ed i dettagli
+di basso livello dipendono in maniera diretta dall'architettura
+dell'hardware), ma quello più tipico, usato da unix (e da Linux) è quello di
+assegnare ad ogni processo uno spazio virtuale di indirizzamento lineare in
+cui gli indirizzi vanno da zero ad un qualche valore massimo (nel caso di
+Linux fino al kernel 2.2 detto massimo era per macchine a 32bit di 2Gb, con il
+kernel 2.4 il limite è stato esteso).
+
+Come accennato nell'introduzione questo spazio di indirizzi è virtuale e non
+corrisponde all'effettiva posizione dei dati nella RAM del computer; in genere
+detto spazio non è neanche continuo (cioè non tutti gli indirizzi sono
+utilizzabili e/o utilizzati).
+
+La memoria virtuale viene divisa in pagine di dimensione fissa (che ad esempio
+sono di 4kb su macchine a 32 bit e 8kb sulle alpha, valori strettamente
+connessi all'hardware di gestione della memoria), e ciascuna pagina della
+memoria virtuale è associata ad un supporto che può essere una pagina di
+memoria reale o ad un dispositivo di stoccaggio secondario (in genere lo
+spazio disco riservato alla swap, o i file che contengono il codice).
+
+Lo stesso pezzo di memoria reale (o di spazio disco) può fare da supporto a
+diverse pagine di memoria virtuale appartenenti a processi diversi (come
+accade in genere per le pagine che contengono il codice delle librerie
+condivise). Ad esempio il codice della funzione \func{printf} starà su una
+sola pagina di memoria reale che farà da supporto a tutte le pagine di memoria
+virtuale di tutti i processi hanno detta funzione nel loro codice.
+
+La corrispondenza fra le pagine della memoria virtuale e quelle della memoria
+fisica della macchina viene gestita in maniera trasparente dall'hardware di
+gestione della memoria (la \textit{Memory Management Unit} del processore),
+ma poiché in genere quest'ultima è solo una piccola frazione della memoria
+virtuale è necessario un meccanismo che permetta di trasferire le pagine
+virtuali che servono dal supporto su cui si trovano in memoria, eliminando
+quelle che non servono. Questo meccanismo è detto \textit{paging}, ed è uno
+dei compiti principali del kernel.
+
+Quando un processo cerca di accedere ad una pagina che non è nella memoria
+reale, avviene quello che viene chiamato un \textit{page fault}; l'hardware di
+gestione della memoria (la MMU del processore) genera una interruzione e passa
+il controllo al kernel il quale sospende il processo e si incarica di mettere
+in RAM la pagina richiesta (effettuando tutte le operazioni necessarie per
+reperire lo spazio necessario), per poi restituire il controllo al
+processo.
+
+Dal punto di vista di un processo questo meccanismo è completamente
+trasparente e tutto avviene come se tutte le pagine fossero sempre disponibili
+in memoria. L'unica differenza avvertibile è quella dei tempi di esecuzione,
+che passano dai pochi nanosecondi necessari per l'accesso a tempi molto più
+lunghi, dovuti all'intervento del kernel. Normalmente questo è il prezzo da
+pagare per avere un multitasking reale, ed in genere il sistema è molto
+efficiente in questo lavoro; quando però ci siano esigenze specifiche di
+prestazioni è possibile usare delle funzioni che permettono di bloccare il
+meccanismo del paging e mantenere fisse delle pagine in memoria (vedi
+\ref{sec:proc_mem_lock}).
+
+
+\subsection{La struttura della memoria di un processo}
+\label{sec:proc_mem_layout}
+
+Benché lo spazio di indirizzi virtuali copra un intervallo molto ampio, solo
+una parte di essi è effettivamente allocato ed utilizzabile dal processo; il
+tentativo di accedere ad un indirizzo non allocato è un tipico errore che si
+commette quando si è manipolato male un puntatore e genera quello che viene
+chiamato un \textit{segmentation fault}. Se si tenta cioè di leggere o
+scrivere da un indirizzo per il quale non esiste una associazione della pagina
+virtuale il kernel risponde al relativo \textit{page fault}, mandando un
+segnale \macro{SIGSEGV} al processo, che normalmente ne causa la terminazione
+immediata.
+
+È pertanto importante capire come viene strutturata la memoria virtuale di un
+processo; essa viene divisa in \textsl{segmenti}, cioè un insieme contiguo di
+indirizzi virtuali ai quali il processo può accedere. Solitamente un
+programma C viene suddiviso nei seguenti segmenti:
+
+\begin{enumerate}
+\item Il segmento di testo (\textit{text segment}). Contiene il codice
+ macchina del programma e le costanti statiche. Normalmente viene condiviso,
+ in modo che più processi (anche diversi nel caso di librerie) possano
+ utilizzarlo, e viene marcato in sola lettura per evitare sovrascritture
+ accidentali (o maliziose) che ne modifichino le istruzioni.
+
+ Viene allocato da \func{exec} all'avvio del programma e resta invariato
+ per tutto il tempo dell'esecuzione.
+
+\item Il segmento dei dati (\textit{data segment}). Contiene le variabili
+ globali (cioè quelle definite al di fuori di tutte le funzioni). Di norma è
+ diviso in due parti.
+
+ La prima parte è il segmento dei dati inizializzati, che contiene le
+ variabili globali il cui valore è stato assegnato esplicitamente. Ad esempio
+ se si definisce:
+\begin{lstlisting}[labelstep=0,frame=,indent=1cm]{}
+ double pi = 3.14;
+\end{lstlisting}
+ questo valore sarà immagazzinato in questo segmento. La memoria di questo
+ segmento viene preallocato dalla \func{exec} e inizializzata ai valori
+ specificati.
+
+ La seconda parte è il segmento dei dati non inizializzati, che contiene le
+ variabili globali il cui valore è stato non è assegnato esplicitamente. Ad
+ esempio se si definisce:
+\begin{lstlisting}[labelstep=0,frame=,indent=1cm]{}
+ int vect[100];
+\end{lstlisting}
+ questo valore sarà immagazzinato in questo segmento. Anch'esso viene
+ allocato all'avvio, e tutte le variabili vengono inizializzate a
+ zero (ed i puntatori a \macro{NULL}).
+
+ Storicamente questo segmento viene chiamato BBS (da \textit{block started by
+ symbol}. La sua dimensione è fissa.
+
+\item Lo \textit{heap}. Tecnicamente lo si può considerare l'estensione del
+ segmento dati, a cui di solito è posto giusto di seguito. È qui che avviene
+ l'allocazione dinamica della memoria; può essere ridimensionato allocando e
+ disallocando la memoria dinamica con le apposite funzioni (vedi
+ \secref{sec:proc_mem_alloc}), ma il suo limite inferiore (quello adiacente
+ al segmento dati) ha una posizione fissa.
+
+\item Il segmento di \textit{stack}, che contiene lo \textit{stack} del
+ programma. Tutte le volte che si effettua una chiamata ad una funzione è
+ qui che viene salvato l'indirizzo di ritorno e le informazioni dello stato
+ del chiamante (tipo il contenuto di alcuni registri della CPU); poi la
+ funzione chiamata alloca qui lo spazio per le sue variabili locali, in
+ questo modo le funzioni possono essere chiamate ricorsivamente. Al ritorno
+ della funzione lo spazio è automaticamente rilasciato.
+
+ La dimensione di questo segmento aumenta seguendo la crescita dello stack
+ del programma, ma non viene ridotta quando quest'ultimo si restringe.
+\end{enumerate}
+
+\begin{figure}[htb]
+ \centering
+ \includegraphics[width=5cm]{img/memory_layout.eps}
+ \caption{Disposizione tipica dei segmenti di memoria di un processo}
+ \label{fig:proc_mem_layout}
+\end{figure}
+
+Una disposizione tipica di questi segmenti è riportata in \nfig. Usando il
+comando \cmd{size} su un programma se ne può stampare le dimensioni dei
+segmenti di testo e di dati (inizializzati e BSS); il BSS però non è mai
+salvato sul file, in quanto viene inizializzato a zero al caricamento del
+programma.
+
+
+\subsection{Allocazione della memoria per i programmi C}
+\label{sec:proc_mem_alloc}
+
+Il C supporta due tipi di allocazione della memoria, l'allocazione statica è
+quella in cui vanno le variabili globali e le variabili statiche (e viene
+effettuata nel segmento dei dati), lo spazio per queste variabili viene
+allocati all'avvio del programma (come parte delle operazioni svolte da
+\func{exec}) e non viene liberato fino alla sua conclusione.
+
+L'allocazione automatica è quella che avviene per le cosiddette variabili
+automatiche, cioè gli argomenti delle funzioni o le variabili locali. Lo
+spazio per queste variabili viene allocato nello stack quando viene eseguito
+comando di invocazione della funzione e liberato quando si esce dalla
+medesima.
-\section{Gestione di parametri e opzioni}
-\label{sec:parameter_options}
+Esiste però un terzo tipo di allocazione, che non è prevista dal linguaggio C,
+che è l'allocazione dinamica della memoria, necessaria quando il quantitativo
+di memoria che serve è determinabile solo in corso di esecuzione del
+programma.
+
+Il C non consente di usare variabili allocate dinamicamente, non è possibile
+cioè definire in fase di programmazione una variabile le cui dimensioni
+possano essere modificate durante l'esecuzione del programma; però le librerie
+del C forniscono una serie opportuna di funzioni per permettere l'allocazione
+dinamica di spazio in memoria (in genere nello heap, usando la system call
+\func{sbrk}), solo che a questo punto detto spazio sarà accessibile solo in
+maniera indiretta attraverso dei puntatori.
+
+
+\subsection{Le funzioni \func{malloc}, \func{calloc}, \func{realloc} e
+ \func{free}}
+\label{sec:proc_mem_malloc}
+
+Le funzioni previste dallo standard ANSI C per la gestione della memoria sono
+quattro, i prototipi sono i seguenti:
+\begin{functions}
+\headdecl{stdlib.h}
+\funcdecl{void *calloc(size\_t size)}
+ Alloca \var{size} bytes nello heap. La memoria viene inizializzata a 0.
+
+ La funzione restituisce il puntatore alla zona di memoria allocata in caso
+ di successo e \macro{NULL} in caso di fallimento, nel qual caso
+ \var{errno} viene settata a \macro{ENOMEM}.
+\funcdecl{void *malloc(size\_t size)}
+ Alloca \var{size} bytes nello heap. La memoria non viene inizializzata.
+
+ La funzione restituisce il puntatore alla zona di memoria allocata in caso
+ di successo e \macro{NULL} in caso di fallimento, nel qual caso
+ \var{errno} viene settata a \macro{ENOMEM}.
+\funcdecl{void *realloc(void *ptr, size\_t size)}
+ Cambia la dimensione del blocco allocato all'indirizzo \var{ptr}
+ portandola a \var{size}.
+
+ La funzione restituisce il puntatore alla zona di memoria allocata in caso
+ di successo e \macro{NULL} in caso di fallimento, nel qual caso
+ \var{errno} viene settata a \macro{ENOMEM}.
+\funcdecl{void free(void *ptr)}
+ Disalloca lo spazio di memoria puntato da \var{ptr}.
+
+ La funzione non ritorna nulla.
+\end{functions}
+Il puntatore che le funzioni di allocazione ritornano è garantito essere
+sempre correttamente allineato per tutti i tipi di dati; ad esempio sulle
+macchine a 32 bit in genere è allineato a multipli di 4 byte e sulle macchine
+a 64 bit a multipli di 8 byte.
+
+In genere su usano le funzioni \func{malloc} e \func{calloc} per allocare
+dinamicamente la memoria necessaria al programma, siccome i puntatori
+ritornati sono di tipo generico non è necessario effettuare un cast per
+assegnarli a puntatori al tipo di variabile per la quale si effettua la
+allocazione.
+
+La memoria allocata dinamicamente deve essere esplicitamente rilasciata usando
+\func{free}\footnote{le glibc provvedono anche una funzione \func{cfree}
+ defininita per compatibilità con SunOS, che è deprecata} una volta che non
+sia più necessaria. Questa funzione vuole come parametro un puntatore
+restituito da una precedente chiamata a una qualunque delle funzioni di
+allocazione e che non sia già stato liberato da un'altra chiamata a
+\func{free}, in caso contrario il comportamento della funzione è indefinito.
+
+La funzione \func{realloc} si usa invece per cambiare (in genere aumentare)
+la dimensione di un'area di memoria precedentemente allocata, la funzione
+vuole in ingresso il puntatore restituito dalla precedente chiamata ad una
+\func{malloc} (se è passato un valore \macro{NULL} allora la funzione si
+comporta come \func{malloc}\footnote{questo è vero per linux e
+ l'implementazione secondo lo standard ANSI C, ma non è vero per alcune
+ vecchie implementazioni, inoltre alcune versioni delle librerie del C
+ consentivano di usare \func{realloc} anche per un puntatore liberato con
+ \func{free} purché non ci fossero state altre chiamate a funzioni di
+ allocazione, questa funzionalità è totalmente deprecata e non è consentita
+ sotto linux}), ad esempio quando si deve far crescere la dimensione di un
+vettore; in questo caso se è disponibile dello spazio adiacente al precedente
+la funzione lo utilizza, altrimenti rialloca altrove un blocco della dimensione
+voluta copiandoci automaticamente il contenuto, lo spazio in più non viene
+inizializzato.
+
+Il fatto che il blocco di memoria restituito da \func{realloc} possa
+cambiare comporta che si deve sempre riassegnare al puntatore passato per il
+ridimensionamento il valore di ritorno della funzione, e che non ci devono
+essere altri puntatori che puntino all'interno di un'area che si vuole
+ridimensionare.
+
+Uno degli errori più comuni (specie se si ha a che fare con array di
+puntatori) è infatti quello di chiamare \func{free} più di una volta sullo
+stesso puntatore; per evitare questo problema una soluzione di ripiego è
+quella di assegnare sempre a \macro{NULL} ogni puntatore liberato con
+\func{free}, dato che, quando il parametro è un puntatore nullo,
+\func{free} non esegue nessuna operazione.
+
+Linux e le glibc hanno una implementazione delle routine di allocazione che è
+controllabile dall'utente attraverso alcune variabili di ambiente, in
+particolare diventa possibile tracciare questo tipo di errori usando la
+variabile \macro{MALLOC\_CHECK\_} che quando viene settata mette in uso una
+versione meno efficiente delle funzioni, che però è più tollerante nei
+confronti di piccoli errori come quello di chiamate doppie a \func{free}; in
+particolare:
+\begin{itemize}
+\item se la variabile è posta a zero gli errori vengono ignorati.
+\item se è posta ad 1 viene stampato un avviso sullo \textit{standard error}
+ (vedi \secref{sec:file_stdfiles}).
+\item se è posta a 2 viene chiamata \func{abort}, che in genere causa
+ l'immediata conclusione del programma.
+\end{itemize}
+
+Il problema più comune e più difficile da tracciare che si incontra con
+l'allocazione della memoria è però quando la memoria non più utilizzata non
+viene opportunamente liberata (quello che in inglese viene chiamato
+\textit{memory-leak}, traducibile come \textsl{perdita di memoria}).
+
+Un caso tipico è quando l'allocazione viene fatta da una subroutine per un uso
+locale, ma la memoria non viene liberata una volta usata; chiamate ripetute
+alla stessa subroutine causeranno a lungo andare un esaurimento della memoria
+disponibile, con un conseguente crash dell'applicazione che può avvenire in
+qualunque momento, e senza nessuna relazione con la subroutine che contiene
+l'errore.
+
+Per questo motivo l'implementazione delle routine di allocazione delle glibc
+mette a disposizione una serie di funzionalità (su cui torneremo in
+\secref{sec:xxx_advanced}) che permettono di tracciare le allocazioni e
+le disallocazione, e definisce anche una serie di possibili agganci che
+permettono di sostituire alle funzioni di libreria una propria versione (che
+può essere più o meno specializzata per il debugging).
+
+
+\subsection{La funzione \texttt{alloca}}
+\label{sec:proc_mem_alloca}
+
+Una alternativa possibile all'uso di \texttt{malloc}, che non soffre del tipo
+di problemi di memory leak descritti in precedenza è la funzione
+\texttt{alloca} che invece che allocare la memoria nello heap usa lo il
+segmento di stack della funzione corrente. La sintassi è identica:
+\begin{prototype}{stdlib.h}{void *alloca(size\_t size)}
+ Alloca \texttt{size} bytes nel segmento di stack della funzione chiamante.
+ La memoria non viene inizializzata.
+
+ La funzione restituisce il puntatore alla zona di memoria allocata in caso
+ di successo e \texttt{NULL} in caso di fallimento, nel qual caso
+ \texttt{errno} viene settata a \texttt{ENOMEM}.
+\end{prototype}
+ma in questo caso non è più necessario liberare la memoria in quanto questa
+viene rilasciata automaticamente al ritorno della funzione.
+
+Come è evidente questa funzione ha molti vantaggi, e permette di evitare i
+problemi di memory leak non essendo più necessaria la deallocazione esplicita;
+una delle ragioni principali per usarla è però che funziona anche quando si
+usa \func{longjump} per uscire con un salto non locale da una funzione (vedi
+\secref{sec:proc_longjmp}),
+
+Un altro vantaggio e che in Linux la funzione è molto veloce e non viene
+sprecato spazio, infatti non è necessario gestire un pool di memoria da
+riservare e si evitano anche problemi di frammentazione.
+
+Gli svantaggi sono che la funzione non è disponibile su tutti gli unix, quando
+non è possibile aumentare le dimensioni dello stack una volta chiamata una
+funzione e quindi l'uso limita la portabilità dei programmi, inoltre se si
+cerca di allocare troppa memoria non si ottiene un messaggio di errore, ma un
+segnale di \textit{segmentation violation} analogo a quello che si avrebbe da
+una ricorsione infinita.
+
+Inoltre non è chiaramente possibile usare questa funzione per allocare memoria
+che deve poi essere usata anche al di fuori della funzione in cui questa viene
+chiamata, in quanto all'uscita dalla funzione lo spazio allocato diventerebbe
+libero, e potrebbe essere sovrascritto all'invocazione di nuove funzioni con
+conseguenze imprevedibili.
+
+Questo è lo stesso problema potenziale che si può avere con le variabili
+automatiche; un errore comune infatti è quello di restituire al chiamante un
+puntatore ad una di queste variabili, che sarà automaticamente distrutta
+all'uscita della funzione, con gli stessi problemi appena citati per
+\func{alloca}.
+
+\subsection{Le funzioni \texttt{brk} e \texttt{sbrk}}
+\label{sec:proc_mem_sbrk}
+
+L'uso di queste funzioni è necessario solo quando si voglia accedere alle
+analoghe system call a cui fanno da interfaccia (ad esempio per implementare
+una propria versione di \texttt{malloc}. Le funzione sono:
+\begin{prototype}{unistd.h}{int *brk(void end\_data\_segment)}
+ Sposta la fine del segmento dei dati all'indirizzo specificato da
+ \texttt{end\_data\_segment}.
+
+ La funzione restituisce 0 in caso di successo e -1 in caso di fallimento,
+ nel qual caso \texttt{errno} viene settata a \texttt{ENOMEM}.
+\end{prototype}
+\begin{prototype}{unistd.h}{int *sbrk(ptrdiff\_t increment)}
+ Incrementa lo spazio dati di un programma di \texttt{increment}. Un valore
+ zero restituisce l'attuale posizione della fine del segmento dati.
+
+ La funzione restituisce il puntatore all'inizio della nuova zona di memoria
+ allocata in caso di successo e \texttt{NULL} in caso di fallimento, nel qual
+ caso \texttt{errno} viene settata a \texttt{ENOMEM}.
+\end{prototype}
+
+Queste funzioni sono state deliberatamente escluse dallo standard POSIX.1 e
+per i programmi normali è opportuno usare le funzioni di allocazione standard
+descritte in precedenza, che sono costruite su di esse. In genere si usa
+\texttt{sbrk} con un valore zero per ottenere l'attuale posizione della fine
+del segmento dati.
+
+
+% \subsection{La personalizzazione delle funzioni di allocazione}
+% \label{sec:proc_mem_malloc_custom}
+
+
+\subsection{Il controllo della memoria virtuale}
+\label{sec:proc_mem_lock}
+
+Come spiegato in \secref{sec:proc_mem_gen} il kernel gestisce la memoria in
+maniera trasparente ai processi, decidendo quando rimuovere pagine dalla
+memoria per metterle nello swap sulla base dell'utilizzo corrente da parte dei
+vari processi.
+
+Nell'uso comune un processo non deve preoccuparsi di tutto ciò in quanto il
+meccanismo della paginazione riporta in RAM, ed in maniera trasparente, tutte
+le pagine che gli occorrono; esistono però esigenze particolari in cui non si
+vuole che il meccanismo dello \textit{swapping}, in generale i motivi per cui
+si possono avere queste necessità sono sostanzialmente due:
+\begin{itemize}
+\item La velocità. Il processo della paginazione è trasparente solo se il
+ programma in esecuzione se non è sensibile al tempo che occorre a riportare
+ la pagina in memoria; per questo motivi processi critici che hanno esigenze
+ di tempo reale o tolleranze critiche nella risposte (ad esempio processi che
+ trattano campionamenti sonori) possono non essere in grado di sopportare
+ le variazioni della velocità di accesso dovuta alla paginazione.
+
+ In certi casi poi un programmatore può conoscere meglio dell'algoritmo di
+ allocazione delle pagine le esigenze specifiche del suo programma e decidere
+ quali pagine di memoria è opportuno che restino in memoria per un aumento
+ delle prestazioni. In genere queste sono esigenze particolari e richiedono
+ anche un aumento delle priorità in esecuzione (vedi \secref{sec:xxx_xxx}).
+
+\item La sicurezza. Se si tengono password o chiavi in memoria queste possono
+ essere portate su disco dal meccanismo della paginazione, questo rende più
+ lungo il periodo di tempo in cui i segreti sono presenti in chiaro, e
+ complessa la loro cancellazione (in genere è possibile cancellare della RAM
+ ma altrettanto non vale per il disco su cui la pagina contenente i segreti
+ può essere stata salvata). Per questo motivo programmi di crittografia
+ richiedono il blocco di alcune pagine di memoria.
+\end{itemize}
+
+Il meccanismo che previene la paginazione di parte della memoria virtuale di
+un processo è chiamato \textit{memory locking} (blocco della memoria), il
+blocco è sempre associato alle pagine della memoria virtuale del processo, non
+con il segmento reale di RAM su cui essa viene mantenuta.
+
+La regola è che se un segmento di RAM fa da supporto ad almeno una pagina
+bloccata allora esso viene escluso dal meccanismo della paginazione. I blocchi
+non si accumulano, se si blocca due volte la stessa pagina non è necessario
+sbloccarla due volte, una pagina o è bloccata o no.
+
+Il blocco di memoria persiste fintanto che il processo che lo detiene la
+memoria bloccata non la sblocca. Chiaramente la terminazione del processo
+comporta anche la fine dell'uso della sua memoria virtuale, e quindi anche di
+tutti i blocchi di memoria.
+
+I memory lock non sono ereditati dai processi figli\footnote{ma siccome Linux
+ usa il copy on write gli indirizzi virtuali del figlio sono mantenuti sullo
+ stesso segmento di RAM del padre, quindi usufruiscono dei memory lock di
+ questo}. Siccome la presenza di memory lock ha un impatto sugli altri
+processi solo root ha la capacità di bloccare una pagina, ogni processo può
+però sbloccare le sue pagine. Il sistema pone dei limiti all'ammontare di
+memoria di un processo che può essere bloccata e al totale di memoria fisica
+che può dedicare a questo.
+
+
+\section{Il controllo di flusso non locale}
+\label{sec:proc_longjmp}
+
+Il controllo del flusso di un programma in genere viene effettuato con le
+varie istruzioni del linguaggio C, la più bistrattata delle quali è il
+\texttt{goto}, ampiamente deprecato in favore di costrutti più puliti; esiste
+però un caso in l'uso di questa istruzione porta all'implementazione più
+efficiente, quello dell'uscita in caso di errore.
+
+Il C però non consente di effettuare un salto ad una label definita in
+un'altra funzione, per cui se l'errore avviene in funzioni profondamente
+annidate occorre usare la funzione \func{longjump}.
+
+
+\section{La gestione di parametri e opzioni}
+\label{sec:proc_options}
Il passaggio dei parametri e delle variabili di ambiente dalla riga di comando
al singolo programma quando viene lanciato è effettuato attraverso le
-variabili \texttt{argc}, \texttt{argv} che vengono passate al programma
-come argomenti della funzione principale:
+variabili \var{argc}, \var{argv} che vengono passate al programma
+come argomenti della funzione principale.
\subsection{Il formato dei parametri}
\label{sec:proc_par_format}
individuare le parole viene usato come separatore lo spazio (comportamento
modificabile attraverso il settaggio della variabile di ambiente IFS).
-Nella scansione viene costruito l'array di puntatori \texttt{argv} inserendo
+Nella scansione viene costruito il vettore di puntatori \var{argv} inserendo
in successione il puntatore alla stringa costituente l'$n$-simo parametro; la
-variabile \texttt{argc} viene inizializzata al numero di parametri trovati, in
+variabile \var{argc} viene inizializzata al numero di parametri trovati, in
questo modo il primo parametro è sempre il nome del programma (vedi \nfig).
\subsection{La gestione delle opzioni}
In generale un programma unix riceve da linea di comando sia i parametri che
le opzioni, queste ultime sono standardizzate per essere riconosciute come
-tali: un elemento di \texttt{argv} che inizia con \texttt{-} e che non sia un
+tali: un elemento di \var{argv} che inizia con \texttt{-} e che non sia un
singolo \texttt{-} o \texttt{--} viene considerato un'opzione. In in genere
-le opzioni sono costituite da un lettera preceduta dal meno e possono avere o
+le opzioni sono costituite da una lettera preceduta dal meno e possono avere o
no un parametro associato; un comando tipico può essere cioè qualcosa del
tipo:
\begin{verbatim}
\end{verbatim}
ed in questo caso le opzioni sono \texttt{m} ed \texttt{r}.
-Per gestire le opzioni all'interno dei parametri passati in \texttt{argv} le
-librerie standard del C forniscono la funzione \texttt{getopt} (accessibile
-includendo \texttt{unistd.h}), che ha il prototipo:
-\begin{verbatim}
-int getopt(int argc, char * const argv[], const char * optstring);
-\end{verbatim}
+Per gestire le opzioni all'interno dei parametri passati in \func{argv} le
+librerie standard del C forniscono la funzione \func{getopt} che ha il
+prototipo:
+\begin{prototype}{unistd.h}
+{int getopt(int argc, char * const argv[], const char * optstring)}
+La funzione esegue il parsing degli argomenti passati da linea di comando
+riconoscendo le possibili opzioni segnalate con \var{optstring}.
+
+Ritorna il carattere che segue l'opzione, \cmd{:} se manca un paramatro
+all'opzione, \cmd{?} se l'opzione è sconosciuta, e -1 se non esistono altre
+opzioni.
+\end{prototype}
-Questa funzione prende come argomenti le due variabili \texttt{argc} e
-\texttt{argv} ed una stringa che indica quali sono le opzioni valide; la
+Questa funzione prende come argomenti le due variabili \var{argc} e
+\var{argv} ed una stringa che indica quali sono le opzioni valide; la
funzione effettua la scansione della lista dei parametri ricercando ogni
-stringa che comincia con \texttt{-} e ritorna ogni volta che trova una opzione
+stringa che comincia con \cmd{-} e ritorna ogni volta che trova una opzione
valida.
-La stringa \texttt{optstring} indica quali sono le opzioni riconosciute ed è
+La stringa \var{optstring} indica quali sono le opzioni riconosciute ed è
costituita da tutti i caratteri usati per identificare le singole opzioni, se
l'opzione ha un parametro al carattere deve essere fatto seguire un segno di
due punti \texttt{:} nel caso appena accennato ad esempio la stringa di
un'opzione non dichiarata in \texttt{optstring} viene ritornato un \texttt{?}
mentre se l'opzione non è seguita da un parametro viene ritornato un
\texttt{:} infine se viene incontrato il valore \texttt{--} la scansione viene
-considerata conclusa.
+considerata conclusa, anche se vi sono altri parametri che cominciano con
+\texttt{-}.
Quando la funzione trova un'opzione essa ritorna il valore numerico del
carattere, in questo modo si possono prendere le azioni relative usando un
-case; la funzione inizializza inoltre alcune varibili globali:
+case; la funzione inizializza inoltre alcune variabili globali:
\begin{itemize}
\item \texttt{char * optarg} contiene il puntatore alla stringa argomento
dell'opzione.
\item \texttt{int optopt} contiene il carattere dell'opzione non riconosciuta.
\end{itemize}
-In \nfig è mostrato un programma di esempio,
-
-
+In \nfig\ è mostrato un programma di esempio:
\begin{figure}[htbp]
\footnotesize
\begin{lstlisting}{}
Un'estensione di questo schema è costituito dalle cosiddette
\textit{long-options} espresse nella forma \texttt{--option=parameter}, anche
la gestione di queste ultime è stata standardizzata attraverso l'uso di una
-versione estesa di \texttt{getopt}.
+versione estesa di \func{getopt}.
+(NdA: da finire).
\subsection{Le variabili di ambiente}
-\label{sec:proc_env_var}
+\label{sec:proc_environ}
+
+Oltre ai parametri passati da linea di comando ogni processo riceve dal
+sistema un \textsl{ambiente}, nella forma di una lista di variabili
+(\textit{environment list}) messa a disposizione dal processo costruita nella
+chiamata ad \func{exec} che lo ha lanciato.
+
+Come per la lista dei parametri anche questa lista è un array di puntatori a
+caratteri, ciascuno dei quali punta ad una stringa (terminata da un null). A
+differenza di \var{argv[]} però in questo caso non si ha la lunghezza
+dell'array dato da un equivalente di \var{argc}, ma la lista è terminata da un
+puntatore nullo.
+
+L'indirizzo della lista delle variabili di ambiente è passato attraverso la
+variabile globale \var{environ}, a cui si può accedere attraverso una semplice
+dichiarazione del tipo:
+\begin{lstlisting}[labelstep=0,frame=,indent=1cm]{}
+extern char ** environ;
+\end{lstlisting}
+un esempio del contenuto dell'ambiente, in si è riportato un estratto delle
+variabili che normalmente sono definite dal sistema, è riportato in \nfig.
+\begin{figure}[htb]
+ \centering
+ \includegraphics[width=11cm]{img/environ_var.eps}
+ \caption{Esempio di lista delle variabili di ambiente.}
+ \label{fig:proc_envirno_list}
+\end{figure}
+
+Per convenzione le stringhe che definiscono l'ambiente sono tutte del tipo
+\textsl{\texttt{nome=valore}}. Inoltre alcune variabili, come quelle elencate
+in \curfig, sono definite dal sistema per queste c'è la convezione di usare
+nomi espressi in caratteri maiuscoli.
+
+Il kernel non usa mai queste variabili, il loro uso e la loro intepretazione è
+riservata alle applicazioni e ad alcune funzioni di libreria; in genere esse
+costituiscono un modo comodo per definire un comportamento specifico senza
+dover ricorrere all'uso di opzioni a linea di comando o di file di
+configurazione.
+
+La shell ad esempio ne usa molte per il suo funzionamento (come \var{PATH} per
+la ricerca dei comandi), e alcune di esse (come \var{HOME}, \var{USER}, etc.)
+sono definite al login. In genere è cura dell'amministratore definire le
+opportune variabili di ambiente in uno script di avvio. Alcune servono poi
+come riferimento generico per molti programmi (come \var{EDITOR} che indica
+l'editor preferito da invocare in caso di necessità).
-Questo va fatto.
+Gli standard POSIX e XPG3 definiscono alcune di queste variabili (le più
+comuni), come riportato in \ntab. GNU/Linux le supporta tutte e ne definisce
+anche altre per una lista parziale si può controllare \cmd{man environ}
projects / gapil.git / blobdiff