Vytváření procesů v C a překlad make

Domácí příprava

Předpokládáme, že máte základní znalosti jazyka C a víte, jak funguje překlad ze zdrojových kódů jazyka C do binární spustitelné aplikace (v obecném případě, kdy je zdrojových souborů více).

Dále byste měli mít alespoň minimální povědomí o použití překladače gcc a jeho základních parametrech.

Nastudujte si použití nástroje make pro překlad programu v jazyku C/C++: make.

Dále je pro absolvování cvičení nutné mít přehled o systémových voláních fork, pipe, dup, open, kill, wait a execve, tzn. měli byste vědět jak vzniká nový proces a jak lze přesměrovat standardní vstup a výstup. Potřebné informace se dozvíte na některé z předchozích přednášek.

Zadání úlohy

Vytvořte v jazyce C, C++ nebo Rust program forkpipe, který:

Vytvoří dva procesy (potomky) voláním funkce fork. Prvně vytvořený proces budeme níže nazývat GEN, druhý NSD. Původní (hlavní) proces bude označován jako MAIN. (POZOR, záleží na pořadí vytvoření potomků).
Tyto potomky propojí rourou (funkce pipe a dup2) tak, aby standardní výstup GEN byl napojen na standardní vstup NSD.
Poté počká 5 sekund pomocí volání sleep(5).
Poté pošle procesu GEN signál SIGTERM, který způsobí ukončení obou potomků.

GEN skončí díky obsluze signálu – viz níže, NSD by pak měl skončit automaticky také, neboť při ukončení GEN OS uzavře rouru a NSD je naprogramován tak, že skončí při uzavření standardního vstupu.
Následně počká na ukončení procesů GEN a NSD (např. pomocí funkce wait).
Pokud libovolný z potomků skončil chybou (návratový kód != 0), vypíše na standardní výstup řádku “ERROR” a skončí s návratovým kódem 1, v opačném případě vypíše tamtéž řádku “OK” a skončí s kódem 0.
Pokud libovolné systémové volání vrátí chybu, aktuální proces okamžitě skončí s návratovým kódem 2.
GEN bude na standardní výstup vypisovat řádky obsahující dvě mezerou oddělená náhodná čísla vygenerovaná funkcí rand() (např. printf(“%d %d\n”, rand(), rand())).

Pozor, při generování příliš vysokých čísel může program nsd počítat i několik sekund. Můžete předpokládat, že při testech v BRUTE nevrátí funkce rand() větší číslo než 4095 a váš program urychlit použitím rand() % 4096 místo samotného rand().
Mezi výpisem řádek bude GEN čekat jednu sekundu pomocí volání sleep(1).
GEN bude reagovat na signál SIGTERM. Při zaslání tohoto signálu GEN vypíše na standardní chybový výstup řádku “GEN TERMINATED” a skončí s návratovým kódem 0.
NSD zavolá po vytvoření funkci execl, aby začal vykonávat program nsd (viz níže). Žádný jiný proces by neměl execl volat.

Dále vytvořte Makefile, který:

Při spuštění příkazu make bez parametrů zkompiluje váš program forkpipe a program nsd pro výpočet největšího společného dělitele, jehož zdrojové kódy si stáhněte z nsd.tgz. Obě binárky program umístí do stejného adresáře jako soubor Makefile.
Při změně libovolného zdrojového souboru make překompiluje pouze soubory, které jsou z daného souboru generovány (ať přímo či nepřímo). Ostatní generované soubory měněny nebudou.
Překladači jazyka C/C++ vždy předá volbu -Wall, která způsobí výpis užitečných varování, a dále volby v proměnné EXTRA_CFLAGS, která je ve výchozím stavu prázdná.

Poznámky k implementaci

Rouru musíte vytvořit dříve než potomky, abyste je s ní mohli propojit.
Po vytvoření potomků rodičovský proces rouru nepotřebuje a měl by ji uzavřít. Pokud ji neuzavře, NSD neskončí automaticky po ukončení GEN, jak je popsáno výše, protože roura bude stále otevřená.
Uzavírejte důsledně všechny file descriptory, které již nebudete potřebovat. Předejdete tím záludným chybám.
Z funkce obsluhující signál (tzv. signal handler) není možné volat libovolnou funkci. Viz man signal-safety. Zejména by se nemělo používat “buffered I/O”, tedy např. funkce printf. Pokud nepodporovanou funkci zavoláte, program může (ale nemusí) zhavarovat (jedná se o tzv. chybu souběhu neboli “race condition”).
Pro ladění programu se vám můžete hodit příkaz strace -f. Vyzkoušejte také argumenty -e process, -e file, -e trace=dup2, apod.

Odevzdávejte všechny soubory zabalené v archivu. Můžete použít příkaz

tar czf osy04.tgz Makefile *.[ch]

Rust

tar czf osy04.tgz Makefile *.[ch] Cargo.toml src

Pokud program implementujete v Rustu můžete používat následující Crates a to tak, že v Cargo.toml uvedete:
```
[dependencies]
nix = { version = "0.27", features = ["signal", "fs"] }
libc = "0.2"
anyhow = "1.0"
lazy_static = "1.4"
```
Ne všechny poskytnuté crates je nutné využít, správné řešení v Rustu může jít napsat i bez nich. Dostupné verze crates jsou dané tím, jaké verze byly použity při vytváření obrazu pro BRUTE a mohou být starší než jaké budete používáte lokálně.

Program překládejte pomocí cargo build --offline (v Makefile).

Náhodná čísla generujte pomocí libc::rand(). Standardně se v Rustu používá crate rand, v rámci AE ale používáme vlastní generátor náhodných čísel, aby byly výsledky reprodukovatelné, a ten aktuálně funguje pouze s libc::rand().

Aplikace nsd

Zdrojové kódy aplikace nsd se skládají ze souborů nsd_main.c, nsd.c a nd.c a hlavičkových souborů nsd.h a nd.h. Jejich přeložením vytvoříte binární soubor ‘nsd’.

Zdrojové soubory naleznete v archivu nsd.tgz.

Ukázkový kód

Jak vytvořit proces a rouru se můžete inspirovat ukázkovým kódem z manuálové stránky systémového volání pipe.

Domácí příprava na další cvičení

Pro další cvičení budete potřebovat vědět

co jsou vlákna,
jaké problémy mohou nastávat při paralelních běhů vláken,
jaké synchronizační prostředky máme k dispozici a
jak je vytvoříme v jazyce C s využitím knihovny pthread.

Potřebné informace byste měli získat na přednáškách, případně se podívejte na