Ev  |  Eriþimdüzeni  |  Ýçindekiler  |  Arama

Convert to GutenPalm or to PalmDoc tarafýndan Leonardo Giordani <leo.giordani(at)libero.it> Yazar hakkýnda: Yazar, Milan Politecnico Üniversitesinin Telekomunikasyon Mühendisliðinde okumakta ve bilgisayar aðlarý yöneticisi olarak çalýþmaktadýr. Daha çok Assemble ve C/C++ olmak üzere, programlamaya ilgi duymaktadýr. 1999 yýlýndan beri neredeyse tamamen Linux/Unix ile çalýþmaktadýr. Türkçe'ye çeviri: Erdal Mutlu <erdal(at)linuxfocus.org> Ýçerik: Giriþ Ýþlem kavramý Linux ve Unix'teki iþlemler libc'de çokluiþlem Önerilen kaynaklar Bu yazý için görüþ bildiriminde bulunabilirsiniz

Eþzamanlý programlama - Kavramlar ve iþlemlere giriþ

Özet:

Bu yazý dizisinin amacý, okuyculara Linux iþletim sistemindeki çokluiþlem (multitasking) ve uygulamasýna giriþ oluþturmaktadýr. Çokluiþlem teorisinin temellerinden baþlayarak, iþlemler veya süreçler (processes) arasýndaki haberleþmeyi, basit ve bir o kadar da etkili bir protokol kullanarak gösteren, bir program yazarak konuyu tamamlayacaðýz. Yazýyý anlayabilmek için gerekli önbilgiler þunlardýr:

• Kabuk ortamý hakkýnda temel bilgi.
• C programlama dili hakkýnda temel bilgi (Yazým kullarý, döngüler, kütüphaneler vs.).

Giriþ

Ýþlem kavramý

Birden fazla programý ayný anda çalýþtýrabilmek için iþletim sisteminin yapmasý gereken karmaþýk iþlemlere gereksinimi vardýr. Çalýþan programlar arasýnda oluþabilecek karýþýklýðý önlemek için, programlarýn çalýþtýrýlmalarý ile ilgili gerekli tüm bilginin bir yerde saklanmasý kaçýnýlmazdýr.

Linux bilgisayarýmýzda ne olup bittiðine geçmeden önce biraz genel kültür bilgisi verelim: çalýþan bir PROGRAM verildiðinde, programý oluþturan komutlar kümesine CODE(Program kodu), program verilerin bilgisayar belleðinde kapladýðý alana MEMORY SPACE(Bellek alaný) ve mikroiþlemcinin parametre deðerleri, çeþitli bayrak deðerleri veya program sayacýna (Bir sonra çalýþtýrýlacak olan komutun adres deðeri.), PROCESSOR STATUS (Ýlemci durumu) denilmektedir.

RUNNING PROGRAM (Çalýþan program) kavramýný, Program kodu, Bellek alaný ve Ýþlemci durumu nesnelerinden oluþan bir bütün olarak tanýmlýyoruz. Eðer, herhangi bir zaman diliminde, bu bilgiyi kaydedip, baþka programýn bilgileri ile deðiþtirdiðimizde, kaydettiðimiz programa tekrar dönüldüðünde, program kaldýðý yerden çalýþmasýna devam edebilmedir: Bu çalýþma yöntemi birden fazla programýn ayný anda ve birbirleri ile çakýþmadan çalýþýyor gibi görünmesini saðlamaktadýr. PROCESS veya TASK (Süreç veya iþlem) kelimesi böyle çalýþan bir programý tanýmlamak için kullanýlmaktadýr.

Þimdi, yazýnýn baþýnda sözünü ettiðimiz Linux bilgisayarýnda neler olduðuna bir göz atalým. Herhangi bir anda, bilgisayarda sadece bir adet iþlem çalýþtýrýlabilmektedir (Sistemde sadece bir mikroiþlemci vardýr ve bu iþlemci ayný anda iki iþlemi yerine getirememektedir.). Çalýþan programýn da saedece belli bir kýsmý iþlem görmektedir. Belli bir süre sonra, buna QUANTUM denmektedir, çalýþan iþlem durdurulmakta, daha sonra kaldýðý yerden devam etmek üzere iþlem ile ilgili bilgiler bir yerde ve beklemekte olan baþka bir iþlemin bilgileri ile deðiþtirilerek, bir quantum süresi boyunca çalýþtýrýlmaktadýr. Ayný anda çalýþýyor gibi izlenim veren iþlemler böylece çalýþtýrýlmaktadýr. Buna biz multitasking (çokluiþlem) diyoruz.

Daha önce de söylediðim gibi, çokluiþlem kullanýlýyor olmasý bazý sorunlarý da beraberinde getirmektedir. Sözgelimi, kuyrukta bekleyen iþlemlerim yönetimi (SCHEDULING). Herneyse, bunlar iþletim sisteminin yapýsý ile ilgili konular. Bu belkide baþka bir yazý yazýmý için uygun bir konu olabilir. Linux çekirdeðini tanýtýcý bir yazý yazýlabilir.  

Linux ve Unix'teki iþlemler

Bilgisayarýmýzda çalýþan iþlemler ile ilgili biraz bilgi edinelim. Bu bilgiyi saðlayan komutun adý ps(1) dir ve "process status" (iþlem durumu) sözcüklerin kýsaltmasýdýr. Bir terminal açýp, ps komutunu çalýþtrýrsanýz, aþaðýdakine benzer bir çýktý elde edersiniz.

  PID TTY          TIME CMD
 2241 ttyp4    00:00:00 bash
 2346 ttyp4    00:00:00 ps

Daha önce de belirtiðim gibi bu çýktý tam deðil, ancak þimdilik buna odaklanalým: ps komutu bize terminalde çalýþan iþlemlerin listesini vermektedir. Çýktýnýn son sütünunda, iþlemin çalýþtýrýldýðý komutun adýný görmekteyiz. Sözgelimi, Mozilla sanaldoku gezgini için mozilla, GNU derleyicisi için gcc vs. Çalýþmakta olan iþlemlerin listesi ekranda gösterilirken ps iþlemi de çalýþtýðýndan, kendisin de bu listede görünmesi çok doðal. Listede görünen diðer iþlemler þunlardýr: Benim terminalde çalýþan Bourne Again Shell (kabuk ortamý) dir.

Bir an için TIME ve TTY bilgilerini gözardý edelim ve PID (iþlem numarasý) bilgisine bakalým. Pid, her iþleme tekil olarak verilen, sýfýrdan farklý pozitif bir sayýdýr. Ýþlem sona erdiðinde, iþlem numarasý tekrar kullanýlabilir. Ancak, iþlem çalýþtýðý sürece, bu numaranýn deyiþmeyeceði garantilenmektedir. Sizin ps komutundan elde edeceðiniz çýktý, yukarýdakinden farklý olacaktýr. Söylediklerimin doðruluðunu sýnamak için, baþka bir terminal açýp orada ps komutunu çalýþtýrdýðýnýzda ayný listeyi elde edeceksiniz, ancak bu sefer iþlem numaralarý farklý olacaktýr. Bu da, çalýþan iþlemlerin birbirlerinden farklý olduklarýný göstermektedir.

Linux makinamýzda çalýþan tüm iþlemlerin listesini elde etmek de mümkündür. ps komutunun man sayfasýna göre, -e parametresi, tüm iþlemleri seçmek için kullanýlmaktadýr. Þimdi bir terminalde "ps -e" komutunu çalýþtýralým. Elde edeceðimiz liste, yukarýdaki biçimde, ancak çok daha uzun olacaktýr. Listeyi daha rahat bir þekilde incelebilmek için ps komutunun çýktýsýný ps.log dosyasýna yönlendirelim:

ps -e > ps.log

Oluþan dosyayý, tercih ettiðiniz herhangi bir kelime iþlemci veya en basitinden less komutu yardýmýyla inceleyebilirsiniz. Yazýnýn baþýnda da sözünü ettiðim gibi, çalýþan iþlem sayýsý, tahmin ettiðmizden daha fazladýr. Ayrýca, listede komut satýrýndan veya grafik ortamdan çalýþtýrdýðýmýz programlarýn dýþýnda da iþlemler çalþtýðýný fark ediyoruz. Bu iþlemlerden bazýlarýnýn isimleri de biraz garip. Sistemizde çalýþan iþlemler ve sayýlarý, sisteminizin yapýlandýrýlmasýna baðlýdýr. Ancak, bazý ortak iþlemler de vardýr. Sistemde yaptýðýnýz ayarlar ne olursa olsun, iþlem numarasý 1 ve tüm iþlemlerin babasý olan iþlemin adý hep "init" tir. Ýþlem numarasýnýn 1 olmasý, bu programýn iþletim sistemi tarafýndan hep ilk sýrada çalýþtýrýlmasýndandýr. Fark edeceðimiz baþka bir konu da, bazý isimlerin sonlarýnýn hep "d" karakteri olmasýdýr. Bunlara verilen genel isim "daemons" dur ve sistemin en önemli iþlemlerindendirler. init ve daemon larý daha sonraki bir yazýda ayrýntýlý olarak ele alacaðýz.  

libc'de çokluiþlem

Ýþlem kavramýný ve onun iþletim sistemimiz için olan önemini kavradýðýmýza göre, daha ileriye giderek çokluiþlem yapan programlar yazmaya baþlayacaðýz. Aþýkar olan ayný anda birden fazla iþlemin birden çalýþtýrýlmasýndan, daha yeni bir problem olan, iþlemler arasý haberleþme ve zamanlamasýna (senkronizasyon) geçeceðiz. Bu problemi iki güzel yöntem olan mesajlar (messages) ve sayaçlar (semaphors) ile çözeceðiz. Bunlar süreçler (threads) konusunu iþleyeceðimiz sonraki bir yazýda ayrýntýlý olarak anlatýlacaktýr. Daha sonra da, tüm anlatýlan yöntemleri kullanarak, kendi uygulamalarýmýzý yazma zamaný gelecektir.

Standart C kütüphanesi (Linux,taki libc, glibc tarafýndan uyarlanmýþtýr.) Unix System V'in çokluiþlem yöntemlerini kullanmaktadýr. Unix System V (Bundan sonra SysV diyeceðiz.) ticari bir Unix uyarlamasý olup, BSD Unix ailesi gibi SysV Unix ailesinin de yaratýcýsýdýr.

libc'de iþlem numarasýnýn deðerini tutmak üzere, tamsayý (integer) þeklinde, pid_t deðiþken tipi tanýmlanmýþtýr. Bunadan böyle, pid_t deðiþken tipini iþlem numaralarý için kullanacaðýz. Sýrf daha basit olmasý açýsýndan tamsayý deðiþken tipini kullanmak da mümkündür.

Programýmýzýn iþlem numarasýný elde etmeye yarayan fonksiyona bir gözatalým.

pid_t getpid (void)

Bu fonksiyon, pid_tile birlikte unistd.h ve sys/types.h baþlýk dosyalarýnda tanýmlanmýþtýr. Þimdi, amacý kendi iþlem numarasýný bildiren bir program yazalým. Tercih ettiðiniz bir kelime iþlemcisi yardýmý ile aþaðýdaki programý yazýnýz.

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
  pid_t pid;

  pid = getpid();
  printf("The pid assigned to the process is %d\n", pid);

  return 0;
}

gcc -Wall -o print_pid print_pid.c

Þimdi bir iþlemin nasýl yaratýlacaðýný öðrenme zamaný geldi. Ancak, daha önce, bu iþlem sýrasýnda gerçekte neler olduðunu açýklamak gerek. Bir A iþlemi içerisinden B iþlemi yaratýldýðýnda, iki iþlem benzerdir, yani ikisi de ayný koda sahip, bellek alaný ayný veriler ile dolu (Bellek alaný ayný deðil.) ve ayný iþlemci durumuna sahiptir. Bu aþamadan sonra iþlemler iki farklý þekilde devam edebilir: Kullanýcýnýn vereceði giriþ bilgisine veya rastgele olan bir veriye göre. A iþlemine baba "father", B iþlemine de oðul (son) adý verilmektedir. init iþleminin tüm iþlemlerin babasý deyimi þimdi daha iyi anlaþýlýyor olmasý gerekir. Yeni iþlem yaratan fonksiyonun adý:

pid_t fork(void)

Herneyse, ancak hangi iþlemin hangisi olduðunu bilmek önemlidir, çünkü programýn kodu aynýdýr. Her iki iþlem de hem baba iþlemin hem de oðul iþlemin kodunu içerecektir. Önemli olan herbirinin kendine düþen payý çalýþtýrmalarýdýr. Konuyu daha anlaþýlýr yapmak için, programlama ötesi bir dil gibi gözüken aþaðýdaki algoritmaya bir gözatalým:

- FORK
- EÐER OÐUL ÝSEN BUNU ÇALIÞTIR (...)
- EÐER BABA ÝSEN BUNU ÇALIÞTIR (...)

int main()
{
  pid_t pid;

  pid = fork();
  if (pid == 0)
  {
    OÐUL ÝÞLEMÝN KODU
  }
  BABA ÝÞLEMÝN KODU
}

(01) #include <unistd.h>
(02) #include <sys/types.h>
(03) #include <stdio.h>

(04) int main()
(05) {
(05)   pid_t pid;
(06)   int i;

(07)   pid = fork();

(08)   if (pid == 0){
(09)     for (i = 0; i  < 8; i++){
(10)       printf("-SON-\n");
(11)     }
(12)     return(0);
(13)   }

(14)   for (i = 0; i < 8; i++){
(15)     printf("+FATHER+\n");
(16)   }

(17)   return(0);
(18) }

(01)-(03) satýrlarý gerekli baþlýk kütüphaneleri (standart Giriþ/Çýkýs I/O, çokluiþlem) programa dahil etmektedir.
GNU ortamlarýnda olduðu gibi, main programý bir tamsayýyý, program hatasýz bir þekilde sona erdiðinde sýfýr, hatalý olarak sona erirse hata numarasýný, dönüþ deðeri olarak üretmektedir. Þu an için herþeyin hatasýz sonuçlanacaðýný varsayalým. Temel kavramlar anlaþýldýkça programa, hata denetimleri de ekleyeceðiz. (05) satýrýnda, iþlem numarasýný tutacak deðiþkeni tanýmlýyoruz. (06) satýrda, döngülerde kullanacaðýmýz bir tamsayý deðiþkeni tanýmlýyoruz. Daha öncede açýklandýðý gibi tamsayý ve pid_t tipleri eþdeðerdir. Biz burada sýrf daha anlaþýlýr olsun diye böyle kullanýyoruz.
(07) satýrýnda, oðul iþlemine sýfýr ve baba iþlemine oðul iþlemin iþlem numarasýný geri gönderecek olan fork fonksiyonunu çaðýrýyoruz. Hangisinin hangisi olduðu denetim satýrý (08) dir. (09)-(13) satýrlarý oðul, geriye kalan (14)-(16) satýrlarý da baba iþleminde çalýþtýrýlacaktýr.
Hangi iþlemin çalýþtýðýna baðlý olarak, kýsýmlarýn yaptýðý tek þey 8'er defa ekrana "-SON-" veya "+FATHER+" yazýp 0 deðeri ile programý bitirmektedir. Bu çok önemlidir, çünkü "return" olmadan, oðul iþleminin komutlarýný yerine getrdikten sonra programýn akýþý gereði baba iþlemlerine geçerek devam edebilir. Ýsterseniz bir deneyin. Bilgisayarýnýza zarar vermeyecektir, ancak istediðimizi de tama olarak yerine getirmemiþ olacaktýr. Bu þekildeki hatalarýn ayýklanmasý zor olmaktadýr, çünkü özellikle karmaþýk çokluiþlem programlarýn çalýþtýrýlmasý sonucunda farklý sonuçlar elde edilecek ve böylece hata ayýklanmasý imkansýzlaþacaktýr.

Programý çalýþtýrdýðýnýzda belkide sonuçtan memnun kalmayacaksýnýz. Nedenine gelince, elde edilen sonuçlarýn "+FATHER+" ve "-SON-" bir karýþýmýndan ziyade, önce "+FATHER+" satýrlarýnýn ardýndan "-SON-" gelecek veya tam tersi de olabilir. Ancak, programý birden fazla defa çalýþtýrýn, belki o zaman sonuç deðiþebilir.

Herbir printf'ten önce rastgele bekleme süresi eklersek, daha fazla çokluiþlem hissi elde etmiþ oluruz. Bunu yapabilmek için sleep ve rand fonksiyonlarýný kullanýyoruz.

sleep(rand()%4)

(09)  for (i = 0; i < 8; i++){
(->)    sleep (rand()%4);
(10)    printf("-FIGLIO-\n");
(11)  }

[leo@mobile ipc2]$ ./fork_demo2
-SON-
+FATHER+
+FATHER+
-SON-
-SON-
+FATHER+
+FATHER+
-SON-
-FIGLIO-
+FATHER+
+FATHER+
-SON-
-SON-
-SON-
+FATHER+
+FATHER+
[leo@mobile ipc2]$

Þimdi karþýmýza çýkacak problemlere bir göz gezdirelim: Çokluiþlem ortamýnda baba iþleminden farklý iþler yapabilecek birden fazla oðul iþlemi yaratmamýz olasýdýr. Doðru zamanda doðru iþi yapabilmek için, baba ilþlem, oðul iþlemler ile haberleþmek zorundadýr. En azýndan bir zaman ayarlanmasý (synchronize) yapýlmasý gerekmektedir. Böyle bir zaman ayarlanmasýný olasý kýlan ilk yöntem wait fonksiyonunu kullanmaktýr.

pid_t waitpid (pid_t PID, int *STATUS_PTR, int OPTIONS)

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
  pid_t pid;
  int i;

  pid = fork();

  if (pid == 0){
    for (i = 0; i < 14; i++){
      sleep (rand()%4);
      printf("-SON-\n");
    }
    return 0;
  }

  sleep (rand()%4);
  printf("+FATHER+ Waiting for son's termination...\n");
  waitpid (pid, NULL, 0);
  printf("+FATHER+ ...ended\n");

  return 0;
}

Bir sonraki yazýda zamanlama ayarlamasý ve iþlemler arasý iletiþim konusu hakkýnda daha fazla bilgi edineceðiz. Þu ana kadar anlatýlan fonksiyonlarý kullanarak kendi programlarýnýzý yazýn ve açýklamalarý ile birlikte .c dosyasý halinde bana gönderin. Böylece ben aralarýndan iyi olan çözümler ile kötüleri gösterme þansý elde etmiþ olurum. Adýnýzý ve e-posta adresinizi yazmayý unutmaýn. Ýyi çalýþmalar!  

Önerilen kaynaklar

• Silberschatz, Galvin, Gagne, Operating System Concepts - Sixth Edition, Wiley&Sons, 2001
• Tanenbaum, WoodHull, Operating Systems: Design and Implementation - Second Edition, Prentice Hall, 2000
• Stallings, Operating Systems - Fourth Edition, Prentice Hall, 2002
• Bovet, Cesati, Understanding the Linux Kernel, O'Reilly, 2000

Bu yazý için görüþ bildiriminde bulunabilirsiniz

2002-11-28, generated by lfparser version 2.31