Unix

C

Bitwise Operators

Puntatori

Array di Puntatori

Si utilizzano per efficienza
- per ordinare strutture dati é piú conveniente spostare puntatori che dati
Si trovano per esempio anche nel main(int argc, char *argv[]) ^

Indirezione Multipla

int i = 1;
int *ip1 = &i;
int **ipp = &ip1; // puntatore doppio

Il primo \(\star\) indica un livello di indirezione, un numero maggiore di \(\star\) aumentano i livelli di indirezione

Puntatori a funzioni

int (*func)(int a, int b){...}
(*func)(a,b);

Preprocessore

#…

Hanno effetto da un certo punto in poi
Sono interpretate e riscritte prima che il codice arrivi al compilatore

Il suo output puó essere visualizzato con il flag -E di gcc

include

define

La macro non comporta una allocazione di record di attivazione e non prevede context switch, ha meno overhead ed é piú efficiente

macro predefinite
- TIME
- DATE
- FILE
- LINE

make

Constringe a considerare le dipendenze

si avvale della marcatura temporale dei file
- in questo modo decide se ricompilare

Il makefile é costituito da

riga di dipendenza
riga d’azione

Esiste un target speciale: clean:

utilizzato per rimuovere tutti i file oggetto
rm -f *.o

Environment List

Le variabili sono passate da processo padre a processo figlio Le variabili d’ambiente sono impostate in un array di stringhe

accoppiate per nome|valore

In C ci si puó accedere utilizzando la variabile globale

extern char **environ;

PID

System Call

pid_t getpid(void)
- non fallisce mai
pid_t getppid(void)
- restituisce parent pid

Memory Layout

segmenti
- text segments
  - read-only
  - sharable
- initialized data segment
  - globali
  - statiche
    - variabili inizializzate esplicitamente dal programma
- uninitialized data segmemt
  - prima di eseguire il programma il Sistema inizializza a 0
- stack
  - cresce e diminuisce dinamicamente
  - variabili locali (o automatiche)
  - argomenti
  - return value
- heap
  - area di memoria allocata a runtime
    - malloc
    - calloc

Process Control

syscall di Crezione, Esecuzione, Terminazione di processi

fork

crea una copia quasi identica del genitore

almeno PID diverso
copia di
- stack
- heap
- dati
- text segment

    pid_t fork(void);

Il figlio riprende l’esecuzione a partire dalla prima istruzione successiva alla fork che lo ha creato

la fork restituisce
- 0 al figlio
- PID del figlio al genitore se avviene con successo

    pid_t procID;
    procID = fork();
    if(procID == -1) exit(1);
    if(procID){
        // padre
    }else{ // if(procID == 0)
        // figlio
    }

    switch (procID = fork()){
    case -1:
        exit(1);
    case 0:
        // figlio
    case default:
        // padre
    }
    // qua eseguono entrambi

Il figlio riceva una copia dei riferimenti ai descrittori dei file

se il genitore apre un file prima della fork le modifiche saranno condivise tra i due

exit
- libera le risorse utilizzate dal processo
  - in modo che il kernel possa allocarle
  - status
    - intero che descrive lo stato di terminazione del processo
  I Processi possono terminare in due modi
  - in maniera anomala
    - segfault per esempio
    - con una _exit()
      - incapsulato all’interno della syscall exit
        
        effettua
        
        exit handlers
        
        stdio stream buffer flushed
        
        _exit() viene invocata utilizzando lo status
wait
- sospende il chiamante di sospendere l’esecuzione fino alla terminazione di un figlio
- status
  - alla terminazione del figlio qui sara' riportato l’exit status del figlio
- error handling
  - ritorna -1
  - errno = ECHILD se diverso da questo é un errore inatteso
    - in caso chiamante non abbia figli
waitpid
- permette di scegliere il figlio da aspettare
- permette una nonblocking wait
  - non si blocca in caso di nessuna terminazione
- parametri
  - pid
    - >0 aspetta specifico figlio
    - == 0 attende un processo dello stesso gruppo del chiamante
    - == -1 attende un figlio qualsiasi
  - status
    - figlio ha terminato
      - con una exit
      - con un segnale non gestito
      - e' stato bloccato da un segnale e waitpid era chiamata con WUNTRACED
    - <sys/wait.h>
      - WIFEXITED(status)
      - WIFSIGNALED(status)
      - WIFSTOPPED(status)
      - WIFCONTINUED(status)
  - options
    - maschera di bit
    - WUNTRACED
    - WCONTINUED
    - WNOHANG
      - se nessun figlio specificato ha cambiato stato restituisci immediatamente
execve
- carica un nuovo programma nella memoria del processo chiamante, sovrascrivendolo
  - i descrittori di file aperti rimangono aperti nel nuovo programma
- e' cancellato il text segment del precedente processo
  - sono poi ricreati heap e dati
- esistono funzioni di libreria
  - interfaccie alla execve
- parametri
  - pathname
  - argv[]
    - lista di puntatori a stringa
    - termina con puntatore a NULL
  - envp[]
    - environment pointer
    - coppie nome-valore
- ritorno
  - non ne ha se ha successo
  - -1 per errore
    - EACCES
    - ENOENT
    - ENOEXEC
    - TXTBSY
    - E2BIG
system
- crea un processo figlio per eseguire
- restituisce lo stato di terminazione dell’ultimo comando eseguito
- é inefficente

orphans and zombies

in generale un padre sopravvive al figlio

in caso di orfano il padre diventa il processo init
per garantire una wait dalla parte del padre per conoscere lo status del figlio
- il kernel permette di trasformare il figlio in zombie

zombies

Non possono essere uccisi da un segnale
- rimangono nella tabella dei processi
  - se si verificano zombie potrebbe riempirsi la tabella
Idealmente si devono evitare processi zombie

Signals

Cause dei Segnali

Eccezione Hardware
- istruzioni linguaggio macchina malformate
- divisioni per 0
- riferimenti a parti di memoria inaccessibili
Caratteri speciali su terminale
- interrupt
  - ^c
- suspend
  - ^z
  - stop the current job (so you can put it in the background)
- quit
  - ^\
  - terminates current job; makes a core file
Eventi Software
- input ora disponibile su un descrittore di file
- timer é arrivato a 0
- quanto di tempo esaurito
- figlio del processo é terminato

Symbolic Names and Numbers

Segnali definiti con interi unici contenuti in nomi simbolici

in <signal.h> o <sys/signal.h>
della forma SIGxxxx
- utilizzabili piú facilmente in quanto le implementazioni variano nei numeri assegnati ad ogni segnale

for (i=0; i<NSIG; i++) {
    printf("Signal #%2d: %s\n", i, strsignal(i));
}

Lifecycle

Un segnale:

generato da qualche evento
delivered ad un processo
- questo esegue qualche azione in risposta al segnale

Nel periodo di tempo intercorrente tra la generazione e l’invio al processo il segnale é pending

viene inviato
- appena il processo é scelto per l’esecuzione
- immediatamente se il processo é in esecuzione
  - nel caso il processo invii un segnale a se stesso

blocking A volte si deve assicurare che un blocco di codice non sia interrotto dalla consegna di un segnale

aggiungere segnale alla maschera dei segnali
- insieme dei segnali la cui risezione é attualmente bloccata
il segnale rimane pending fino a che non é sboccato e rimosso dalla maschera

delivery & actions Di default

Il segnale é ignorato
Il processo é terminato killed
- abnormal process termination
  - opposta alla exit()
Viene generato core dump file
- virtual memory image
  - utilizzata per ispezionare lo stato del processo al momento della terminazione
Processo é bloccato stopped
Esecuzione riprende resumed

in Unix

trap

Segnali generati da eventi prodotti da un processo e inviati al processo stesso
- comportamenti errati possono generare trap
  - divisioni per zero SIGFPE
  - indirizzamento errato di array SIGEGV
  - negato l’accesso a instruzioni privilegiate SIGILL

interrupt

Segnali inviati ad un processo da un agente esterno (utente o altro processo)
- User
  - ^c SIGINT
  - ^z SIGSTOP
  - kill -s SIGNAL PID
- Altro processo
  - kill(PID,SIGNAL)

disposition

Impostazione della disposizione del segnale: sovrascrivere la disposizione (risposta) di default
- default
- ignore
- exec signal hadler
  - funzione che esegue le azioni appropriate in riposta alla ricezione di un segnale
  - il segnale in questo caso é gestito handled o intercettato caught
- signal() & sigaction()

Segnali
- SIGABRT
- SIGALRM
- SIGCHLD
- SIGCONT
- SIGINT
  
  Il terminale invia questo segnale al gruppo del processo in foreground
- SIGKILL
  
  Non puó essere bloccato, ignorato, intercettato da un hander
  - termina sempre un processo
- SIGPIPE
  
  Inviato quando un processo tempa di scrivere su un pipe o FIFO il quale non ha un corrispondente lettore
- SIGSEGV
  
  O Segmentation Violation Processo tenta un riferimento in memoria non valido
  - la pagina non esiste
  - tentata modifica a locazione read-only
  - tentato accesso alla memoria del kernel
  Spesso a causa di un puntatore che contiene un bad address

Facilities

System V IPC

syscall
- msgget()
- semget()
- shmget()

message queues

I messaggi possono essere pescati per tipo oltre che ordine

shared memory

Uno degli strumenti di IPC piú veloci

semaphores

set di semafori

Sincronizzazione

Semafori

blocking
non-blocking

Aumento del semaforo :: reso disponibile Decremento del semaforo :: accesso all’area critica

Syscall

#include <sys/types.h>
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
    // returns semaphore set identifier on success , -1 on error
    // semflg: IPC_CREAT, IPC_EXCL
int semclt(int semid, int semnum, int cmd, ... /* union semun arg */);
    // semun utilizzabile per l'argomento
    // IPC_RMID
    // IPC_STAT
    // IPC_SET
    // GETVAL
    // SETVAL
    // GETALL
    // SETALL
    // GETPID
    // GETNCNT
    // GETZCNT
int semop(int semid, struct sembuf *sops, unsigned int nsops);
    // sembuf codifies the operations to do
    // nops is the dimension of sops
struct semid_ds {
    struct ipc_perm sem_perm;
    time_t sem_otime; // timestamp of last semop (0 when created)
    time_t sem_ctime;
    unsigned short
}

struct sembuf {
    unsigned short sem_num;
    short sem_op;
    // group of operations are atomic and executed in their order
    // either they are all executed at once or not
    short sem_flg;
    // IPC_NOWAIT == non-blocking
}

Una semop bloccata fino a che:

un processo sblocca il semaforo
viene interrotto da un segnale di Interrupt
- EINTR

binary semaphores

1: Free, 0: Reserved

Reserve
Wait

int initSem();
int reserveSem(int semID, int semNum);
int releaseSem(int semId, int semNum);

Communication Facilities

Distruttivitá

I dati sono consumati con la lettura

Data transfer
- byte stream
  
  Si scrivono/leggono numeri arbitrari di byte
  - Pipes
    
    Permettono l’utilizzo dell’output di un processo come input di un altro processo Il suo funzionamento é implementato utilizzando
    - fork()
    - exec()
    Il pipe ha un verso
    - write end
    - read end
    I processi semplicemente scrivono su fd1 e leggono da fd0
    - Essendo flussi non c’é la nozione di dimensione del messaggio
    - La lettura é sequenziale secondo l’ordine di scrittura
    Il pipe é semplicemente un buffer, ha una capacitá massima
    - quando é pieno la scrittura viene bloccata finche non sará effettuata una lettura
    - generalmente non é necessario conoscere la capacitá della pipe
    - una dimensione maggiore porterá a meno context switch
    - Protocol
      - carattere delimitatore
        
        si sceglie un carattere che non sará utilizzato nei messaggi
      - header / body
        
        intestazione con lunghezza del messaggio seguente
      - messaggi a dimensione fissa a \(n\) byte
    - Syscal
      int pipe(int filedes[2]); // ritorna 0 on success, -1 on error filedes[0]; // lettura filedes[1]; // scrittura
    - Chiusura fd
      
      Se il lettore non chiude il write-end alla chiusura dalla parte dello scrittore non verrá scritto EOF alla fine dello stream Quando uno scrittore scrive su una pipe senza lettori questo riceve SIGPIPE
      - che puó essere gestito
      Un pipe chiamato prima di una fork puó mettere in comunicazione processi imparentati
  - FIFO
    
    Sono dotati di un nome a differenza di un pipe
    - possono essere utilizzati per comunicazione tra processi non imparentati
      - architettura client-server
    Come pipe
    - write-end read-end
    - Syscall
      int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); // returns on success, -1 on error
    - Sincronizzazione
      
      Possibile creare una fork nella pipeline utilizzando il comando tee
      - duplicato dell’outut viene inviato ad un terzo processo oltre che il suo successore nella pipeline
- message
  
  Si scrivono/leggono messaggi interi
  - ogni read legge 1 solo messaggio
  - message queue

Shared Memory

meccanismo estremamente veloce
- non é mediato dal kernel
va sicronizzato, tipicamente con i semafori
- evitare accessi simultanei
- evitare letture concorrenti a scritture

A differenza del data transfer non é distruttiva

Di norma ogni processo ha uno spazio di indirizzamento logico indipendente/separato dagli altri processi

la memoria condivisa é fisicamente condivisa tra i processi

I figli ereditano i segmenti di SM a disposizione del genitore

durante una exec() i segmenti sono staccati detached
- NB: non distrutti
- sono staccati anche al momento della terminazione dei processi

lifecycle
- shmget()
  - creazione
  - ottenere l’id di un segmento giá esistentsetxkbmap -option ctrl:swapcapse
- shmat()
  - attach
- shmdt()
  - detach
    - avviene automaticamente alla terminazione del processo
- shmctl()
  - cancellare (IPC_RMID)
    - solo un processo la esegue
  - un segmento sará effettivamente distrutto solo dopo che tutti i processi correntemente attaccati lo avranno staccato

syscalls

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
// funzionamento analogo alla malloc ma accessibile
// a piú processi
int shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
// se il secondo parametro é NULL il kernel si
// occupa di trovare una zona di memoria adatta
// RETURN VALUE: indirizzo base del segmentop
int shmdt(const void *shmaddr);
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

Dan's Brain