プロセスとジョブ

注: 2019年度の阪大教育用計算機システムの都合により、本項目はかなりの部分が座学のみの内容となる.

プロセスとジョブ, マルチタスクについて

gui では直感的に理解できるマルチタスクも cui ではその状態が見えにくい. そこで，ユーザによるプロセスやジョブの制御を学ぼう． まずプロセス制御とジョブ制御を明確に区別して学習し，理解してからそれらを使いこなすことを目的とする.

マルチタスクとは

同時に複数の処理をこなすこと，もしくはそれらの処理.
今や普通に触れる OS のほとんどはマルチタスクなシステムである．

プロセスとは

プロセス

一つのプログラムを良くみると様々な機能から構成されている. そこで，こうした機能毎に動作を分離することで，様々な処理を能率良く，かつより分かりやすく安全に行なうことができる.
この時の，コンピュータ上で自立して動作する最小単位をプロセスと言う． 言い換えると，一つのプログラムは複数もしくは一つのプロセスからなる.
プロセスをさらに細分化した「スレッド」という概念もあるが 自立して動作しないものであり，ここでは触れない．

プロセス制御

unix 上ではほぼ常に多数のプロセスが(擬似的に)同時に動作している. この時，個々のプロセスを一時停止ないしは停止したり，優先順位を上下させたりすることができると何かと便利だ． 実際にそのようにプロセスの動作をその場で変えることをプロセス制御という．

プロセスの親子関係

unix では，全てのプロセスはなんらかのプロセスによって生成される. これを「親子関係」と見なして，もとのプロセスを新しいプロセスの 「親プロセス」と呼ぶ.
「子プロセス」の「死体処理(ゾンビ状態のプロセスを消滅させること)」をするのは親プロセスの役目であるため， 子プロセスが親プロセスよりも先に死ななければいけない.
よって，何らかの理由により親プロセスが先に死んでしまった場合， ゾンビになった子プロセスの処理が難しくなることがある.

• オプション無しだと「自分が実行した」プロセスのみが表示される．
• お勧めのオプションは，システム全体のプロセスがわかり，かつ， BSD でも linux でも cygwin でも有効な axu である.
  ただし，cygwin システムはほとんどプロセスを持っていないため，ps axu では寂しい結果しか表示されない．
• cygwin では ps -W とすると，MS-Windows のプロセスも表示されるので，この方が良いかもしれない．

  cygwin と(仮想環境) Linux の両方で ps axu を試してみよう．
また、念のため、man ps として、オンラインマニュアルを一瞥しておこう．

ps コマンドの使い方による違いの例

単に ps とすると…

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  PID TTY          TIME CMD
  29452 pts/0    00:00:00 sh
  29475 pts/0    00:00:00 tcsh
  31982 pts/0    00:00:00 ps

という感じだが、ps axu とすると

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  USER       PID %CPU %MEM   VSZ  RSS TTY      STAT START   TIME COMMAND
  root         1  0.0  0.0  1504  352 ?        S     2010   0:01 init [2]
  root         2  0.0  0.0     0    0 ?        SN    2010   0:00 [ksoftirqd/0]
  root         3  0.0  0.0     0    0 ?        S<    2010   0:00 [events/0]
  …略…
  daemon   10220  0.0  1.2 16972 11564 ?       S    23:29   0:00 /usr/local/apache2/bin/httpd -k start
  paoon    10221  0.0  0.0  2496  848 pts/0    R+   23:30   0:00 ps axu

と表示され、「他人の」プロセス情報も見ることが出来る．

ps コマンドで見られる情報のうち，重要なものだけ以下に解説しておこう.

  ps コマンドを用いて，今自分が実行している複数のプロセス全てについて，その状態がどうなっているかきちんと調べよ．

• top コマンドで，プロセスの状態を「動的」かつ「連続的」にみることができる.
• 通常は，CPU利用率の高い順にプロセスが動的に並べ替えられて表示される.
• この「並べ替えに使う項目」は、top 実行中に F キーを押せば変えることが出来る．

  top コマンドを実行し，挙動を見てみる．また，実行中に ? キーを押し，実行中に何ができるか把握せよ．

プロセスを制御: プロセスを作る，動作させる

ユーザから見たとき，プログラムを実行することは即ちプロセスを生成することである. 逆に，プログラムの実行が完全に終わったときには， そのプログラムによって作られたプロセスは全て消滅したことになる.

プロセスを制御: プロセスの優先度を変更する

プロセスには優先順位があり，優先順位が高い方がより先に実行されるようになっている. この仕組みにより，様々なプロセスが同時に動作しても人間にとって快適に扱えるようになっている.

優先順位を示す指標

優先順位を変更する

使い方の例 (詳しくはマニュアルを見よう)：
nice については、基本は nice 起動したいコマンド とするだけである． 例えば、 hoge というプログラムを, 通常より nice 値を 10 大きくして(= 優先順位が下がる)起動するときは

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/bin/nice hoge

とすればよい．

既に起動しているプログラムがあるとして、その nice 値を変える例も見てみよう． まず、そのプロセスの PID と nice 値を ps -l コマンドを使って確認してみる.

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$ ps -l
F S   UID   PID  PPID  C PRI  NI ADDR SZ WCHAN  TTY          TIME CMD
0 S   510  4846  4845  0  80   0 - 29208 rt_sig pts/0    00:00:00 tcsh
0 T   510  4862  4846  0  80   0 - 62522 signal pts/0    00:00:00 emacs
0 R   510  4863  4846  0  80   0 - 27033 -      pts/0    00:00:00 ps

と表示されるので、 例えばそのプログラムが emacs だとすると、PID は 4862, nice 値は 0 ということが分かる．

renice コマンドは、renice nice値 PID という形で用いるので、

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renice +10 4862

とすると、

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4862: 古い優先度は 0、新たな優先度は 10 です

と表示が出て、優先度が変更されたとメッセージが出る(優先順位が下がるので、日本語としては誤解を招くメッセージだが！)． 実際に、ps -l コマンドで確認してみると、

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$ ps -l
F S   UID   PID  PPID  C PRI  NI ADDR SZ WCHAN  TTY          TIME CMD
0 S   510  4846  4845  0  80   0 - 29208 rt_sig pts/0    00:00:00 tcsh
0 T   510  4862  4846  0  90  10 - 62522 signal pts/0    00:00:00 emacs
0 R   510  4884  4846  1  80   0 - 27034 -      pts/0    00:00:00 ps

emacs の priority値と nice値 が確かに 10 だけ大きくなっている．

試しに、優先順位を上げようとして

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renice -10 4862

とすると、

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renice: 4862: setpriority: 許可がありません

と言われて、優先順位を上げることが出来ないことも確認できる．

unix のプロセスには「プロセス間通信」といってプロセス同士が通信する仕組みが備わっている. このプロセス間通信のうち，メッセージを伝えるだけの機能を持つものとして「シグナル」がある. このシグナルをプロセス宛に送りつけることによって，プロセスを一時停止させたり，再起動させたり，終了させたりできる.

シグナルをプロセスに送りつけるには，

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kill -シグナル pid

とする. シグナルは次の表の「シグナル名」か「シグナル番号」で指定する.
なお、シグナルを省略すると TERM (=15) を指定したことになる.

この表から分かるように，そのプロセスを確実に止めたい場合は，

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kill -9 pid

とするか，

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kill -KILL pid

とすればよい.

注意: シグナル “HUP” や pid “1” “0” “-1” は特別な意味で使われることが多いので，よくわからない場合は使わないように注意すること. 酷い目にあってみたい，という酔狂な人は自宅の unix などでスーパーユーザになって，
kill 1
kill -KILL -1
などといろいろやってみよう(^-^).

注意: state が D のプロセスや，zombie プロセスには kill -KILL が有効でない場合がある. こういう場合は，特に支障がなければ放置しておくことになるが(^-^)、まあ、様子を見て、支障がありそうだったら管理者に相談しよう．

プログラムが動作中であっても，端末を終了したりログアウトしたりすると通常はそのプログラムは終了してしまう. これは，そのプログラムを起動した端末環境が，終了する直前にそのプログラムに対して上の “HUP” シグナルを送っているためである.

しかし，長時間の計算をするときなど， 「ログアウトした後もプログラムは動きつづけたままでいて欲しい」 ということがある. こうしたときには， nohup コマンドを用いて nohup コマンド名 としてプログラムを起動すると，ログアウトしてもこのプログラムが動作し続けるようにできる.

注意: コマンド指定無しで単に nohup と起動しないこと！ こうしまうと，それ以降のコマンド全てが nohup 扱いになり大きなトラブルを引き起こす可能性が高い．

  次の手順でプロセス制御を試してみよう．

1. 端末エミュレータ中で emacs -nw と入力して emacs を起動する.
2. emacs が起動している状態で CTRL-z として，emacs を停止状態にする(CTRL-z や停止状態の説明は後述).
3. ps コマンドを試してみて，emacs の存在とその状態を把握する.
4. top コマンドを試してみて，emacs の存在とその状態を把握する.
5. ps コマンドで emacs の PID を把握し，kill コマンドを用いて emacs を強制終了させる.
6. psコマンドで emacs が存在しない(強制終了したため)ことを確認する．

ジョブ

ジョブとは，(シェルから見た)コンピュータ上で実行される実態の単位の概念で， 「一連の仕事をしている(複数の)プロセス」 のことである.
まあ簡単に言えば，シェルで命令した「(一行分の)命令の固まり」であり， 人間にとって一つの処理と見なせるもの，と思えばよい. シェルの history コマンドで「一回分」のコマンドと思ってもよい.

フォアグラウンド,バックグラウンド

シェルは人間と「対話的」に動作するため，そのまま複数のプログラムを同時に動作させるわけにはいかない．
そこで，「人間と対話しながら作業するジョブを一つだけ」と 「そうでないジョブ(複数)」 をわけることでマルチタスクを可能としている.
その全体の関係は下の図のようになっている．

例えば、三つほど一時停止 or 裏で動いているジョブがある状態で、jobs とすると、次のような出力を得られる．

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$ jobs
[1]  - 中断       emacs -nw
[2]  - 実行中  sleep 1000 &
[3]  + 中断        man less

この表示は左から，
“ジョブ番号 状態 コマンドと引数”
というリストになっている. ジョブ番号に「+」がついているのは，ジョブ操作コマンドのデフォルトの対象がこれであることを意味している. (だいたいは一番大きい番号だ)

ちなみに，この例では二つのジョブが「中断」状態，つまり「停止状態」で, 一つが「実行中」、つまりバックグラウンドに居ることがわかる.

  端末エミュレータ中で emacs -nw & や sleep 1000 & などを何度か入力するなどして, jobs コマンドの様子を試してみよ.

ジョブ制御

ジョブ制御とは，ジョブを三状態のある状態から他の状態へと移動させることや， プロセス制御と同じくジョブを「殺したり」することを言う.

ジョブには大まかにいって上に載せた図のような三つの状態がある． 図中にあるようなコマンドを用いてジョブの状態を変遷させることが ジョブ制御の中心となる. 詳細は以下の通り．

ジョブ制御: ジョブを作る

シェルを通じてプログラムを実行したとき， シェルに投入された一塊のコマンド(群)がジョブとして生成される. この時, 起動オプションとして & をつけるかどうかで、ジョブの状態が次のように変わる．

& をつけない → そのジョブはフォアグラウンド状態で起動する．
& をつける → そのジョブはバックグラウンド状態で起動する．

window system が動作しているときに 端末中で “emacs &” とすると，emacs が「別窓で」起動するのが見られるが，これがそうである.

ジョブ制御: ジョブの状態を変える

以下、ジョブ制御のコマンドを紹介しよう．

なお、ジョブを フォアからバックに直接移す方法は無い． フォア → 停止 → バック と経由する方法( CTRL-z → bg %ジョブ番号 というコンボ)があるのでそちらを使おう．

fg コマンドで fg %ジョブ番号 とすると、そのジョブ番号をもつジョブをフォアグラウンドへ移すことができる． これでキーボードでそのジョブと対話が可能になる．

ただし，シェルそのものだけはこれで停止しないようになっている(例外). シェルを停止したい場合は， suspend コマンドを使う．

注: 近年、システムに上のものとは役割が異なる stop コマンドが実装されていることがあり、そういうシステムでは一部のシェルに stop コマンドが内蔵されていなかったりする． stop コマンドを試してみて unknown job というエラーが出る場合はこれに該当するので、kill -STOP %ジョブ番号 を使おう．

jobs コマンドでわかるジョブ番号を用いて、
kill %ジョブ番号
とすればそのジョブを殺す(一時停止ではない、完全な停止)ことができる.

注意: 以前示したように、フォアグラウンドジョブ，即ち，人間と対話しながら動作しているジョブは CTRL-c などでも殺すことができる. ただし，シェルそのものだけはこれで死なないようになっている(例外).

  次の手順でジョブ制御を試してみよう.

1. touch コマンドを用いてファイルを新しく作る.
2. 作ったファイルを 端末中で vi か emacs で編集し(“ジョブの投入”)，適当に数行書き込む.
3. vi or emacs を終了せずに，停止させることでシェルへ戻る(“ジョブの停止”).
4. less コマンドを用いて編集したファイルを見る(“ジョブの投入 & 停止”).
5. date コマンドを用いて日時を調べて…(“ジョブの投入 & 停止”).
6. fg コマンドを用いて vi or emacs へ戻り(“停止ジョブをフォアグラウンドへ”)
7. 先ほど調べた日時を書き込んでから, vi or emacs を終了(“ジョブの停止”).
8. 再び, less コマンドを用いて編集したファイルを見て，先ほどの日時書き込みが保存されていることを確認(“ジョブの投入 & 停止”).

レポート(課題を実行可能な環境を用意できるならば)

以下の課題について能う限り賢明な調査と考察を行い，
“AppliedMath7-Report-02”
という題名をつけて e-mail にて教官宛にレポートとして提出せよ. なお，レポートを e-mail の代わりに TeX で作成した書面にて提出してもよい.

課題

1. 本資料の実習部分をすべて行い，それについて「きちんと」報告せよ(やりました，などだけというのはダメだよね)．
2. ジョブを投入して停止状態にする方法を複数述べよ．
   また，これらの作業を実際にやってみよ. なお，この操作の様子を script コマンドで記録しておいて，その記録を提出する形で報告すること.
   注: script コマンドはとても便利！ なので、マニュアルなどでぜひ調べよう．
3. kill でもプロセスが殺せない場合が何通りか考えられる. そのうち，3種類を挙げてきちんと解説せよ.
4. ジョブを あわせて 5つほど投入し，全てが共存する状態にし，三状態を自在に遷移させてみよう.
   なお，この操作の様子を script コマンドで記録しておいて，その記録を提出する形で報告すること.