Формат v3: уроки D1 (теория+разбор), задачи ступенями, карточки 101 с уровнями и пояснениями
This commit is contained in:
Kodlo-chan
@@ -0,0 +1,208 @@
|
||||
# D1, часть 2. Процессы: fork, exec, wait, сигналы (урок)
|
||||
|
||||
Тут всё держится на одной картинке: процесс = адресное пространство + поток выполнения +
|
||||
открытые дескрипторы. `fork` копирует это, `exec` заменяет содержимое, `wait` собирает
|
||||
результат, сигнал — асинхронное уведомление.
|
||||
|
||||
## 1. fork(): что реально происходит
|
||||
|
||||
`pid_t fork(void)` создаёт **новый процесс** — копию вызывающего: своё адресное
|
||||
пространство, свой PID, свой поток. Родитель продолжает с того же места.
|
||||
|
||||
Возвращает **дважды** — и это ключ к пониманию:
|
||||
- в родителе — PID ребёнка (> 0);
|
||||
- в ребёнке — 0;
|
||||
- при ошибке — −1 (и `errno`), ребёнок не создан.
|
||||
|
||||
Поэтому классический код всегда ветвится:
|
||||
|
||||
```cpp
|
||||
pid_t pid = fork();
|
||||
if (pid == 0) {
|
||||
// это ребёнок
|
||||
execlp("ls", "ls", "-l", nullptr);
|
||||
_exit(127); // exec не вернулся — значит не смог
|
||||
} else if (pid > 0) {
|
||||
// это родитель: pid — номер ребёнка
|
||||
int status = 0;
|
||||
waitpid(pid, &status, 0); // дождаться и забрать код возврата
|
||||
} else {
|
||||
perror("fork"); // ошибка
|
||||
}
|
||||
```
|
||||
|
||||
**Copy-on-write.** Память физически не копируется: обе стороны смотрят на одни страницы,
|
||||
помеченные «только чтение». При первой записи в страницу ядро делает её копию — только
|
||||
тогда. Поэтому `fork` дешёвый, даже если процесс занимает гигабайты. Именно это спрашивают
|
||||
в формулировке «что происходит со страницами памяти при fork?» — ответ: **COW, копируются
|
||||
при первой записи**.
|
||||
|
||||
Совет: `fflush(stdout)` перед `fork`, иначе буфер вывода может продублироваться в ребёнке.
|
||||
|
||||
## 2. exec(): замена образа
|
||||
|
||||
`exec*` **не создаёт процесс**, а заменяет содержимое текущего: код, данные, стек —
|
||||
всё новое. PID и открытые дескрипторы сохраняются. Возврата при успехе нет никогда:
|
||||
при успехе функция не возвращается (программа уже другая), при ошибке возвращает −1.
|
||||
|
||||
Отсюда рабочий шаблон: `fork` + `exec` в ребёнке = запуск внешней программы.
|
||||
Семейство: `execlp` ищет в `PATH`, `execv` — по полному пути, `execvp` — по имени в `PATH`.
|
||||
|
||||
## 3. wait/waitpid и коды возврата
|
||||
|
||||
Завершившийся ребёнок не исчезает: ядро держит его запись, пока родитель не заберёт код
|
||||
возврата. Такой процесс называется **зомби** (состояние `Z` в `ps`). Зомби не занимает
|
||||
память, но занимает слот в таблице процессов — их накопление плохо.
|
||||
|
||||
- `wait(&status)` — ждёт любого ребёнка;
|
||||
- `waitpid(pid, &status, 0)` — конкретного; `WNOHANG` — не блокироваться.
|
||||
|
||||
Разбор `status` делается макросами, а не вручную:
|
||||
|
||||
```cpp
|
||||
if (WIFEXITED(status)) printf("exit code %d\n", WEXITSTATUS(status));
|
||||
else if (WIFSIGNALED(status)) printf("killed by signal %d\n", WTERMSIG(status));
|
||||
```
|
||||
|
||||
**Откуда 137 и 139.** Оболочка показывает код как 128 + номер сигнала:
|
||||
- **137 = 128 + 9** → SIGKILL (убит `kill -9`, часто OOM-killer);
|
||||
- **139 = 128 + 11** → SIGSEGV (падение по памяти);
|
||||
- 143 = 128 + 15 → SIGTERM (корректный запрос на завершение).
|
||||
|
||||
**Сирота** — процесс, чей родитель умер: его усыновляет init/systemd (PID 1), он не зомби.
|
||||
|
||||
## 4. Сигналы
|
||||
|
||||
Сигнал — асинхронное уведомление процессу. Основные: SIGINT (2, Ctrl+C), SIGKILL (9,
|
||||
нельзя перехватить или проигнорировать), SIGTERM (15, «завершись корректно»), SIGSEGV (11),
|
||||
SIGPIPE (13, запись в закрытый сокет), SIGCHLD (17, ребёнок завершился).
|
||||
|
||||
Обработчик ставится `sigaction` (надёжнее устаревшего `signal`), внутри обработчика можно
|
||||
менять только `volatile sig_atomic_t` — никаких `printf`/`malloc` (не async-signal-safe).
|
||||
|
||||
```cpp
|
||||
static volatile sig_atomic_t stop = 0;
|
||||
static void on_term(int) { stop = 1; } // минимум действий
|
||||
|
||||
int main() {
|
||||
struct sigaction sa{}; sa.sa_handler = on_term;
|
||||
sigaction(SIGTERM, &sa, nullptr); // ловим мягкое завершение
|
||||
while (!stop) { /* работа */ }
|
||||
}
|
||||
```
|
||||
|
||||
## 5. errno и возвраты системных вызовов
|
||||
|
||||
Системные вызовы сообщают об ошибке через возврат (−1 или NULL) и `errno`. Читать `errno`
|
||||
можно только сразу после ошибки. EINTR — вызов прерван сигналом, надо повторить;
|
||||
EAGAIN — данных сейчас нет на неблокирующем дескрипторе, повторить позже;
|
||||
EINPROGRESS — неблокирующее соединение в процессе.
|
||||
|
||||
```cpp
|
||||
ssize_t n = read(fd, buf, sizeof buf);
|
||||
if (n < 0) {
|
||||
if (errno == EINTR) continue; // прервали сигналом — просто повторить
|
||||
perror("read"); // иначе настоящая ошибка
|
||||
break;
|
||||
}
|
||||
```
|
||||
|
||||
## 6. Разбор примера: мини-шелл на 40 строк
|
||||
|
||||
Это образец (запусти, поиграйся), зачётная версия — отдельная задача дня.
|
||||
|
||||
```cpp
|
||||
#include <cstdio>
|
||||
#include <cstring>
|
||||
#include <unistd.h>
|
||||
#include <sys/wait.h>
|
||||
#include <string>
|
||||
#include <vector>
|
||||
#include <sstream>
|
||||
|
||||
int main() {
|
||||
std::string line;
|
||||
while (std::printf("sh> "), std::fflush(stdout), std::getline(std::cin, line)) {
|
||||
if (line == "exit") break;
|
||||
if (line.empty()) continue;
|
||||
|
||||
std::istringstream is(line);
|
||||
std::vector<std::string> argv; std::string tok;
|
||||
while (is >> tok) argv.push_back(tok);
|
||||
if (argv.empty()) continue;
|
||||
|
||||
std::vector<char*> cargv;
|
||||
for (auto& a : argv) cargv.push_back(a.data());
|
||||
cargv.push_back(nullptr);
|
||||
|
||||
pid_t pid = fork();
|
||||
if (pid == 0) {
|
||||
execvp(cargv[0], cargv.data());
|
||||
std::fprintf(stderr, "не могу запустить %s\n", cargv[0]);
|
||||
_exit(127); // exec не удался
|
||||
} else if (pid > 0) {
|
||||
int status = 0;
|
||||
waitpid(pid, &status, 0);
|
||||
if (WIFEXITED(status))
|
||||
std::printf("код возврата: %d\n", WEXITSTATUS(status));
|
||||
else if (WIFSIGNALED(status))
|
||||
std::printf("убит сигналом: %d (код %d)\n",
|
||||
WTERMSIG(status), 128 + WTERMSIG(status));
|
||||
} else {
|
||||
std::perror("fork");
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
```
|
||||
|
||||
Что тут проверить руками: `ls -l` работает; `sleep 5` в фоне (`&` — уже доработка);
|
||||
`kill -9` по своему процессу из другого терминала даёт «убит сигналом 9 (код 137)»;
|
||||
несуществующая команда даёт 127.
|
||||
|
||||
Проверка на утечки и падения — санитайзеры:
|
||||
`g++ -g -fsanitize=address,undefined -fno-omit-frame-pointer shell.cpp -o shell`
|
||||
|
||||
## 7. Что спросят на собеседовании (готовые ответы)
|
||||
|
||||
- «Что делает fork и что возвращает?» — создаёт копию процесса; в родителе PID ребёнка,
|
||||
в ребёнке 0, при ошибке −1.
|
||||
- «Что с памятью при fork?» — copy-on-write, страницы копируются при первой записи.
|
||||
- «Чем exec отличается от fork?» — fork создаёт новый процесс, exec заменяет образ
|
||||
текущего, не создавая процесса.
|
||||
- «Зачем waitpid?» — забрать код возврата и не оставлять зомби.
|
||||
- «Как узнать, что процесс убит сигналом?» — `WIFSIGNALED`/`WTERMSIG`, код оболочки
|
||||
128 + сигнал, например 137 = SIGKILL, 139 = SIGSEGV.
|
||||
- «SIGTERM против SIGKILL?» — SIGTERM можно перехватить и завершиться корректно,
|
||||
SIGKILL не перехватывается и не игнорируется.
|
||||
|
||||
## 8. Материалы (первопартийные)
|
||||
|
||||
- `man 2 fork`, `man 2 execve`, `man 2 waitpid`, `man 7 signal` — локально, читаются за 10 минут
|
||||
- OSTEP, главы 4–5 (процессы, API процессов) — https://pages.cs.wisc.edu/~remzi/OSTEP/
|
||||
- Beej, «Processes» — https://beej.us/guide/bgipc/
|
||||
- Про COW: `man 2 fork` + статья «Anatomy of a Program in Memory» —
|
||||
https://manybutfinite.com/post/anatomy-of-a-program-in-memory/
|
||||
|
||||
## 9. Проверь себя
|
||||
|
||||
1. Что вернёт `fork()` в ребёнке и в родителе?
|
||||
2. Что происходит со страницами памяти при `fork()`?
|
||||
3. Что такое зомби и кто его убирает?
|
||||
4. Откуда код возврата 137 и 139?
|
||||
5. Почему `exec` не возвращает управление при успехе?
|
||||
|
||||
<details>
|
||||
<summary>Ответы</summary>
|
||||
|
||||
1. В ребёнке 0, в родителе — PID ребёнка, при ошибке −1.
|
||||
2. Ничего сразу: copy-on-write, копия страницы создаётся при первой записи.
|
||||
3. Завершившийся процесс, чья запись ждёт `wait/waitpid`; убирает родитель (или init,
|
||||
если родитель умер).
|
||||
4. 137 = 128+9 (SIGKILL), 139 = 128+11 (SIGSEGV) — так кодирует оболочка.
|
||||
5. Потому что адресное пространство заменено новым образом: старого кода больше нет.
|
||||
</details>
|
||||
|
||||
## 10. Задачи дня
|
||||
|
||||
- `tasks/03_ring` — кольцевой буфер (база для сетевого кода).
|
||||
- Мини-шелл — в зачётной части дня (полное ТЗ придёт с D1-заданиями).
|
||||
Reference in New Issue
Block a user