أساسيات علوم الحاسوب تسلسل العمليات الهرمي واستدعاءات النظام Fork و Exec في نظام تشغيل الحاسوب

يمكن لنظام التشغيل تشغيلُ العديد من العمليات في الوقت نفسه، إلّا أنه يبدأ بتشغيل عملية واحدة مباشرةً تُدعَى بالعملية الأولية init -اختصارًا للكلمة Initial- التي لا تُعَدّ عمليةً خاصةً باستثناء أنً معرِّف العملية PID الخاص بها هو 0 دائمًا وستبقى مُشغَّلةً دائمًا.

تُعَدّ جميع العمليات الأخرى أبناءً Children لهذه العملية الأولية، فللعمليات شجرة عائلة مثل أيّ شجرة أخرى، إذ يكون لكل عملية أبًا Parent ويمكن أن يكون لها العديد من الأشقاء Siblings التي تُعَدّ عمليات أنشأها الأب نفسه.

يُستخدَم المصطلح "تولّد Spawn" عند الحديث عن العمليات الآباء التي تنشئ العمليات الأبناء مثل القول بأن "عملية ولّدت ابنًا"، كما يمكن أن تنشئ العمليات الأبناء مزيدًا من الأبناء وهكذا، وإليك مثال عن تنفيذ الأمر pstree الذي يعرض العمليات المُشغَّلة مثل شجرة:

init-+-apmd
     |-atd
     |-cron
     ...
     |-dhclient
     |-firefox-bin-+-firefox-bin---2*[firefox-bin]
     |             |-java_vm---java_vm---13*[java_vm]
     |             `-swf_play

يمكن إنشاء عمليات جديدة باستخدام واجهتين متعلقتين ببعضهما هما fork و exec.

استدعاءات Fork

إذا وصلتَ إلى مفترق طرق، فسيكون لديك خياران لتختار من بينهما وسيؤثر هذا القرار على مستقبلك، كما تصل البرامج الحاسوبية إلى مفترق طرق عندما تضغط على استدعاء النظام fork()‎، إذ سيُنشئ نظام التشغيل عمليةً جديدةً مماثلةً للعملية الأب، إذ ستُنسَخ جميع الحالات التي تحدّثنا عنها سابقًا بما في ذلك الملفات المفتوحة وحالة المسجّل وجميع عمليات تخصيص الذاكرة التي تتضمن شيفرة البرنامج.

تُعَدّ القيمة المُعادة من استدعاء النظام الطريقةَ الوحيدة التي يمكن للعملية من خلالها تحديد ما إذا كانت العملية موجودةً مسبقًا أم عملية جديدة، إذ ستكون القيمة المُعادة إلى العملية الأب هي معرّف عملية الابن Process ID أو PID اختصارًا، في حين سيحصل الابن على القيمة المُعادة 0، وعندها نقول أن العملية متفرعة forked مع وجود علاقة أب-ابن.

استدعاءات Exec

يوفّر التفريع Forking طريقةً للعملية الحالية بأن تبدأ عملية جديدة، فإذا لم تكن العملية الجديدة جزءًا من برنامج العملية الأب كما هو الحال في الصدَفة Shell، إذ يجب أن يشغِّل المستخدِم أمرًا في عملية جديدة ليس لها علاقة بالصدَفة، فيجب تشغيل استدعاء النظام exec الذي سيبدّل بمحتويات العملية المُشغَّلة حاليًا معلومات من برنامج ثنائي.

العملية التي تتبعها الصدَفة عند إطلاق برنامج جديد هي fork أولًا، مما يؤدي إلى إنشاء عملية جديدة، ثم تنفيذ الاستدعاء exec، أي تحميل البرنامج الثنائي الذي يُفترَض تشغيله في الذاكرة وتنفيذه.

كيفية تعامل لينكس مع fork و exec

سنشرح كيفية تعامل نظام التشغيل لينكس مع عملية النسخ fork وعملية الاستدعاء exec.

النسخ

يُنفَّذ الاستدعاء fork باستخدام استدعاء النظام clone في النواة، إذ توفّر واجهات clone بفعالية مستوًى من التجريد لكيفية إنشاء نواة لينكس للعمليات، كما يتيح الاستدعاء clone تحديد أجزاء العملية الجديدة المنسوخة في العملية الجديدة والأجزاء المشتركة بين العمليتين صراحةً، وقد يبدو هذا غريبًا بعض الشيء في البداية، لكنه يسمح لنا بسهولة بتطبيق الخيوط Threads باستخدام واجهة واحدة بسيطة جدًا.

الخيوط Threads

ينسخ الاستدعاء fork جميع السمات التي ذكرناها سابقًا. تخيّل نسخ كل شيء للعملية الجديدة باستثناء الذاكرة، فهذا يعني اشتراك الأب والابن في الذاكرة نفسها التي تتضمن شيفرة البرنامج والبيانات.

يُسمَّى الابن الهجين السابق بالخيط، كما تحتوي الخيوط على عدد من المزايا بالموازنة مع المكان الذي يُستخدَم فيه الاستدعاء fork ومنها ما يلي:

1. لا يمكن للعمليات المنفصلة أن ترى ذاكرة بعضها بعضًا، وإنما يمكنها التواصل مع بعضها بعضًا عبر استدعاءات النظام الأخرى فقط، لكن مع ذلك تشترك الخيوط في الذاكرة نفسها، لذا سيكون لديك ميزة العمليات المتعددة مع الاضطرار إلى استخدام استدعاءات النظام للتواصل فيما بينها، وتكمن مشكلة ذلك في إمكانية تداخل الخيوط بسهولة مع بعضها بعضًا، إذ يمكن أن يزيد أحد الخيوط متغيرًا، في حين يمكن أن ينقصه خيط آخر بدون إعلام الخيط الأول، وتسمى هذه الأنواع من المشاكل بمشاكل التزامن وهي كثيرة ومتنوعة، ولكن يمكن حل هذه المشكلة باستخدام مكتبات مجال المستخدِم التي تساعد المبرمجين على العمل مع الخيوط بصورة صحيحة، وتسمى أكثر الخيوط شيوعًا بخيوط POSIX أو كما يشار إليها pthreads بصورة شائعة.
2. يُعَدّ التبديل بين العمليات مكلفًا جدًا، ومن أكثر الأمور تكلفةً هو تعقّب الذاكرة التي تستخدِمها كل عملية، ويمكن تجنّب ذلك من خلال مشاركة الذاكرة التي تزيد الأداء بصورة ملحوظة.

هناك العديد من الطرق المختلفة لتطبيق الخيوط، إذ يمكن أن يطبِّق مجال المستخدِم الخيوط ضمن عملية دون أن تكون لدى النواة أيّ فكرة عن ذلك، إذ تظهر جميع الخيوط للنواة كأنها تعمل في عملية واحدة، ويُعَدّ ذلك دون المستوى الأمثل لأنّ النواة تحجب معلومات عمّا يجري تشغيله في النظام؛ أما مهمة النواة فهي التأكد من استخدام موارد النظام بأفضل طريقة ممكنة، وإذا كان ما تعتقده النواة هو وجود عملية واحدة تشغّل خيوط عمليات متعددة، فيمكن أن تتخذ قرارات دون المستوى الأمثل.

الطريقة الأخرى هي أن تكون للنواة معرفة كاملة بالخيط، إذ يمكن إنشاء ذلك في نظام لينكس من خلال جعل جميع العمليات قادرة على مشاركة الموارد عبر استدعاء النظام clone، ولا يزال كل خيط يحتوي على موارد مرتبطة بالنواة، لذلك يمكن أن تأخذها النواة في حساباتها عند إجراء عمليات تخصيص الموارد.

تحتوي أنظمة التشغيل الأخرى على طريقة هجينة من الطريقتين السابقتين، إذ يمكن تحديد بعض الخيوط للتشغيل في مجال المستخدِم فقط -أي مخفيّة عن النواة- ويمكن أن يكون البعض الآخر من الخيوط عمليةً خفيفة الوزن، ويُعَدّ ذلك مؤشرًا مشابهًا للنواة على أن العمليات هي جزء من مجموعة خيوط.

النسخ عند الكتابة

يُعَدّ نسخ ذاكرة عملية كاملة إلى عملية أخرى عند استخدام الاستدعاء fork عمليةً مكلفةً كما ذكرنا سابقًا، ويمكن تحسين ذلك باستخدام ما يُسمَّى بالنسخ عند الكتابة Copy On Write، إذ يمكن مشاركة الذاكرة فعليًا بدلًا من نسخها بين العمليتين عند استدعاء fork، فإذا كانت العمليات ستقرأ الذاكرة فقط، فلن يكون نسخ البيانات ضروريًا، لكن يجب أن تكون النسخة خاصةً وغير مشتركة عندما تكتب عملية ما في ذاكرتها.

يعمل النسخ عند الكتابة -كما يوحي اسمه- على تحسين ذلك من خلال النسخ من الذاكرة فقط عندما تُكتَب النسخة فيها، وللنسخ عند الكتابة فائدة كبيرة للاستدعاء exec الذي سيكتب البرنامج الجديد في الذاكرة، لذا سيضيّع نسخ الذاكرة الكثير من الوقت، وبالتالي ستوفّر عملية النسخ عند الكتابة علينا النسخ فعليًا.

العملية الأولية Init Process

ناقشنا سابقًا الهدف العام للعملية الأولية وسنفهم الآن كيفية عملها، إذ تبدأ النواةُ العمليةَ الأولية init عند بدء التشغيل وتفرّع وتنفّذ هذه العملية بعد ذلك سكربتات بدء تشغيل الأنظمة التي تفرّع وتنفّذ مزيدًا من البرامج، وينتهي بها الأمر في النهاية إلى تفريع عملية تسجيل الدخول.

الوظيفة الأخرى للعملية init هي الحصاد Reaping، إذ سترغب العملية الأب في التحقق من الشيفرة المُعادة للتأكد من إنهاء العملية الابن بصورة صحيحة أم لا عندما تستدعي العملية استدعاء الإنهاء exit باستخدام الشيفرة المُعادة، لكن تُعَدّ شيفرة الإنهاء جزءًا من العملية التي استدعت exit، لذا يُقال أنّ هذه العملية ميتة Dead مثل أنها لا تعمل، ولكنها لا تزال بحاجة إلى البقاء حتى جمع الشيفرة المُعادة، وتسمى العملية في هذه الحالة شبه ميتة أو زومبي Zombie.

تبقى العملية في حالة زومبي حتى تجمع العملية الأب الشيفرة المُعادة من الاستدعاء wait، ولكن إذا انتهت العملية الأب قبل جمع الشيفرة المُعادة، فستبقى عملية الزومبي موجودةً وتنتظر بلا هدف لإعطاء حالتها لعمليةٍ ما، ثم ستُنسَب العملية الابن التي تكون في حالة زومبي إلى العملية الأولية التي تمتلك معالجًا خاصًا يحصد القيمة المُعادة، وستكون العملية حرةً في النهاية ويمكن إزالة واصفها من جدول عمليات النواة.

مثال عملية شبه ميتة

إليك مثال عن عملية شبه ميتة أو عملية زومبي كما يقال:

$ cat zombie.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(void)
{
  pid_t pid;

  printf("parent : %d\n", getpid());

  pid = fork();

  if (pid == 0) {
    printf("child : %d\n", getpid());
    sleep(2);
    printf("child exit\n");
    exit(1);
  }

  /* في الأب */
  while (1)
  {
    sleep(1);
  }
}

$ ps ax | grep [z]ombie
16168 pts/9    S      0:00 ./zombie
16169 pts/9    Z      0:00 [zombie] <defunct>

أنشأنا في المثال السابق عملية زومبي، إذ ستكون العملية الأب في حالة سكون Sleep إلى الأبد، في حين ستنتهي العملية الابن بعد بضع ثوان، ويمكنك رؤية نتائج تشغيل البرنامج بعد الشيفرة البرمجية.

تكون العملية الأب (16168) في الحالة S للإشارة إلى أنها في حالة سكون وتكون العملية الابن في الحالة Z للإشارة إلى أنها في حالة زومبي، في حين يخبرنا خرج الأمر ps أن العملية أصبحت زومبي أو defunct في وصف العملية.

ملاحظة: الأقواس المربعة حول الحرف "z" في الكلمة "zombie" هي خدعة صغيرة لتزيل عمليات الأمر grep نفسها من خرج الأمر ps، إذ يفسّر الأمر grep كل شيء بين الأقواس المربعة على أنه صنف محرفي Character Class، أي يبحث عن تطابق واحد فقط بين المحارف الموجودة بين القوسين والنص، ولكن بما أن اسم العملية سيكون "grep [z]ombie" مع الأقواس، فلن يكون هناك تطابق.

ترجمة -وبتصرُّف- للقسمين Process Hierarchy و Fork and Exec من الفصل The Process من كتاب Computer Science from the Bottom Up لصاحبه Ian Wienand.

اقرأ أيضًا

• المقال السابق: العمليات وعناصرها في نظام تشغيل الحاسوب
• المقال التالي: أهم المفاهيم التي تنظم العمليات وتعالجها في معمارية الحاسوب الحديثة
• استدعاءات النظام والصلاحيات في نظام التشغيل
• دور نظام التشغيل وتنظيمه في معمارية الحاسوب
• العمليات (Processes) في أنظمة التشغيل
• أنظمة التشغيل للمبرمجين