СиСА Вики

Практическая работа по теме: "Процессы и нити ядра Linux"

Цель работы:
Освоить практические навыки работы с процессами, нитями, механизмами синхронизации, межпроцессным взаимодействием и планированием в Linux на основе пройденной теории.

Подготовка

Установите ПО:
- Компилятор gcc, библиотека pthread (sudo apt install build-essential).
- Утилиты: htop, strace, lsof, netcat (sudo apt install htop strace lsof netcat).
Все команды и код выполняются в терминале Linux (рекомендуется использовать Ubuntu/WSL).

Задание 1. Исследование процессов и нитей

Цель: Сравнить процессы и нити, изучить их создание и управление.

Шаги:

Создание процесса через fork()

// process.c
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        printf("[Child] PID: %d, PPID: %d\n", getpid(), getppid());
    } else {
        printf("[Parent] PID: %d, Child PID: %d\n", getpid(), pid);
    }
    return 0;
}

Скомпилируйте: gcc process.c -o process.
Запустите: ./process.

Наблюдайте за процессами:

bash

ps aux | grep process  # Найдите PID процесса и его потомка
top -p $(pgrep -d ',' -f process)  # Отслеживайте использование CPU

Создание нитей через pthread

// thread.c
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

void* thread_func(void* arg) {
    printf("[Thread] TID: %lu\n", (unsigned long)pthread_self());
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid;
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
    pthread_join(tid, NULL);
    return 0;
}

Скомпилируйте: gcc thread.c -o thread -lpthread.
Запустите: ./thread.

Сравните использование ресурсов:

bash

htop  # В режиме просмотра нитей (F2 → Other Options → Set Left/Right Columns → добавьте NLWP)

Вопросы для самоконтроля:

Чем отличается PID процесса от TID нити?
Почему создание нити эффективнее создания процесса?

Задание 2. Race Condition и взаимоисключение

Цель: Продемонстрировать race condition и решить её с помощью мьютекса и семафора.

Шаги:

Race Condition без синхронизации

// race.c
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

int counter = 0;

void* increment(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) counter++;
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t t1, t2;
    pthread_create(&t1, NULL, increment, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, increment, NULL);
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    printf("Counter: %d (ожидалось 200000)\n", counter);
    return 0;
}

Скомпилируйте и запустите: gcc race.c -o race -lpthread && ./race.
Наблюдение: Значение counter будет меньше 200000 из-за race condition.

Решение через мьютекс
Замените тело increment на:

pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void* increment(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        pthread_mutex_lock(&lock);
        counter++;
        pthread_mutex_unlock(&lock);
    }
    return NULL;
}

Перекомпилируйте и запустите. Убедитесь, что counter = 200000.

Решение через семафор

#include <semaphore.h>
sem_t sem;
void* increment(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 100000; i++) {
        sem_wait(&sem);
        counter++;
        sem_post(&sem);
    }
    return NULL;
}
int main() {
    sem_init(&sem, 0, 1);  // Инициализация семафора
    // ... создание потоков ...
    sem_destroy(&sem);
}

Скомпилируйте с флагом -lrt: gcc -o sem race.c -lpthread -lrt.

Вопросы для самоконтроля:

Почему мьютекс подходит для критической секции, а семафор — для управления доступом к ресурсам?
Как аппаратная поддержка (например, инструкция xchg) помогает в реализации мьютекса?

Задание 3. Межпроцессное взаимодействие (IPC)

Цель: Организовать обмен данными через каналы и сокеты.

Шаги:

Неименованный канал (pipe)

bash

ls -l | grep ".c"  # Данные из ls передаются в grep через pipe

Именованный канал (FIFO)

bash

mkfifo my_pipe      # Создание FIFO
# В терминале 1:
cat > my_pipe
# В терминале 2:
cat my_pipe         # Введите текст в терминале 1 — он появится в терминале 2

UNIX-сокет (локальный)
bash
```
# Сервер:
nc -U -l socket.sock
# Клиент:
nc -U socket.sock
```
- Введите текст в клиенте — он отобразится на сервере.

Вопросы для самоконтроля:

В чём разница между неименованным и именованным каналом?
Как сообщения в IPC связаны с понятием «монитора»?

Задание 4. Тупики (Deadlock)

Цель: Создать и обнаружить тупик, предложить решение.

Шаги:

Создание тупика

// deadlock.c
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t lock1 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t lock2 = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void* thread1(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&lock1);
    sleep(1);
    pthread_mutex_lock(&lock2);
    pthread_mutex_unlock(&lock2);
    pthread_mutex_unlock(&lock1);
    return NULL;
}

void* thread2(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&lock2);
    sleep(1);
    pthread_mutex_lock(&lock1);
    pthread_mutex_unlock(&lock1);
    pthread_mutex_unlock(&lock2);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t t1, t2;
    pthread_create(&t1, NULL, thread1, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, thread2, NULL);
    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    return 0;
}

Запустите программу: она зависнет из-за deadlock.
Найдите PID: ps aux | grep deadlock.

Проанализируйте блокировку:

bash

strace -p <PID>  # Ищите вызовы futex (системный вызов для мьютексов)

Решение тупика
Измените порядок захвата мьютексов в thread2:
c
```
void* thread2(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&lock1);  // Сначала lock1, как в thread1
    sleep(1);
    pthread_mutex_lock(&lock2);
    // ...
}
```
- Перекомпилируйте и убедитесь, что программа завершается.

Вопросы для самоконтроля:

Какие 4 условия возникновения тупика продемонстрированы в примере?
Как метод «иерархии ресурсов» предотвращает тупики?

Задание 5. Планирование процессов

Цель: Изменить приоритеты и политики планирования.

Шаги:

Изменение приоритета через nice

bash

nice -n 10 ./process  # Запуск с приоритетом 10
renice -n 5 -p <PID>  # Изменение приоритета запущенного процесса
top  # Столбец NI показывает nice-уровень

Real-time планирование через chrt

bash

chrt -r 50 ./process  # Запуск с политикой SCHED_FIFO и приоритетом 50
chrt -m  # Показать диапазон приоритетов для real-time

Анализ политики планирования

bash

cat /proc/<PID>/sched  # Политика и приоритет процесса

Вопросы для самоконтроля:

В чём разница между вытесняющим и невытесняющим планированием?
Почему для real-time процессов используется приоритет выше, чем для обычных?

Отчёт по работе

Для каждого задания предоставьте:
- Скриншоты терминала с результатами выполнения.
- Ответы на вопросы для самоконтроля.
Выводы:
- Как аппаратные механизмы (например, атомарные операции) поддерживают взаимоисключение?
- Почему игнорирование проблемы тупиков недопустимо в критических системах?

Дополнительные материалы

Мануалы: man 2 fork, man 7 pthreads, man 2 sem_overview.
Для углубления: Изучите исходный код планировщика CFS в ядре Linux (файл kernel/sched/fair.c).

Преподаватель проверяет:

Корректность выполнения всех заданий.
Понимание связи между теорией и практикой (через ответы на вопросы).

Успешной работы! 😊

Практическая работа по теме: "Процессы и нити ядра Linux" ​

Подготовка ​

Задание 1. Исследование процессов и нитей ​

Шаги: ​

Задание 2. Race Condition и взаимоисключение ​

Шаги: ​

Задание 3. Межпроцессное взаимодействие (IPC) ​

Шаги: ​

Задание 4. Тупики (Deadlock) ​

Шаги: ​

Задание 5. Планирование процессов ​

Шаги: ​

Отчёт по работе ​

Дополнительные материалы ​

Практическая работа по теме: "Процессы и нити ядра Linux"

Подготовка

Задание 1. Исследование процессов и нитей

Шаги:

Задание 2. Race Condition и взаимоисключение

Шаги:

Задание 3. Межпроцессное взаимодействие (IPC)

Шаги:

Задание 4. Тупики (Deadlock)

Шаги:

Задание 5. Планирование процессов

Шаги:

Отчёт по работе

Дополнительные материалы