【fork】Cでマルチプロセス化して、gdbで子プロセスをデバッグしてみた

マルチプログラミング(並列処理)を

実現するには様々な方法が存在します。

その一つにマルチプロセス化があります。

新たにプロセスを作成して、

それぞれのプロセスが並列に

処理を進めていく方法です。

新たにプロセスを作成するには、

fork()関数を使用します。

新しいプロセスは子プロセスと呼ばれ、

作成した側は親プロセスと呼ばれます。

ここでプロセスという単位は

どのような役割を持つか確認です。

保護単位(プロセス間で干渉をしない)
資源割り当て単位(使用中は割り当てられたハードウェア資源を独占する)

マルチプロセスにすると、

main文での処理とは別に

fork()で生成した子プロセスが

プログラムされた処理を行います。

ここで子プロセスについて確認します。

子プロセスは親プロセスを

そのまま継承します。

ファイルディスクリプタや変数などは

全く同じものをコピーしますが、

生成後は別々のものとして扱います。

別々のものになるのでこれらは、

メモリ上に新たにセットされます。

ややこしいのは、命令がセットされた

メモリ領域(コードセグメント)は

同一の領域を使用します。

親プロセスでも子プロセスでも

逆アセンブルすると同じ領域が

指し示されます。

※コード(テキスト)セグメントの話です。

main文や子プロセスの処理関数は、

親プロセスからでも子プロセスからでも

同じメモリ領域を指す、という意味です。

まずは実際にマルチプロセス化してみましょう。

#include&lt;unistd.h>
#include&lt;stdlib.h>
#include&lt;stdio.h>
#include&lt;sys/wait.h>

int varA;

void processFunc(int n){
  int varB;

  varA = 50;
  varB = 100*n;
  printf("Child: varA=%d, varB=%d\n",varA, varB);

  exit(0);
}

int main(void){
  pid_t pid;
  int varB;
  
  varA = 1;
  varB = 2;
  printf("Parent: varA=%d, varB=%d\n", varA, varB);
  
  if((pid = fork())==0){
    processFunc(1);
  }

  sleep(2);
  printf("Parent: varA=%d, varB=%d\n", varA, varB);

  waitpid(pid, NULL, 0);
  return 0;
}

#include<unistd.h>

#include<stdlib.h>

#include<stdio.h>

#include<sys/wait.h>

int varA;

void processFunc(int n){

int varB;

varA = 50;

varB = 100*n;

printf("Child: varA=%d, varB=%d\n",varA, varB);

exit(0);

}

int main(void){

pid_t pid;

int varB;

varA = 1;

varB = 2;

printf("Parent: varA=%d, varB=%d\n", varA, varB);

if((pid = fork())==0){

processFunc(1);

}

sleep(2);

printf("Parent: varA=%d, varB=%d\n", varA, varB);

waitpid(pid, NULL, 0);

return 0;

}

fork()で子プロセスを作成します。

forkが呼び出された時点で、

親プロセスが子プロセスに複製され、

並列処理が始まります。

forkは子プロセスの複製に成功したら、

親プロセスには子プロセスのPIDを

子プロセスにはPID=0を返します。

ややこしいですが、fork()は

通常の関数とは異なり、1コールで

2回の返り値が戻ってきます。

なので実用的なプログラムでは、

fork後の処理を親プロセスと

子プロセスの両方に分けて書きます。

また子プロセスは、_exit (exit) を読んだら、

その時点で終了となります。

その際に親プロセスには、子プロセスが

終了した連絡が届きます。

これにはプロセス間通信で用いるシグナルの

SIGCHLDが親プロセスに送信されます。

その時に親はwait()、waitpid()をして、

子プロセスが終了したことを確信してから

親プロセスもreturnで終了します。

上のコードを実行すると以下になります。

本来はグローバル変数として宣言した

varAが共有されるイメージですが、

マルチプロセスではメモリ空間が

異なるので、別物として扱います。

そのためvarAに値を代入しても

他プロセスのvarAには影響を与えません。

それではgdbでデバッグしてみましょう。

子プロセスをgdbでデバッグしてみる

gccコンパイルするときに

-qオプションを付けます。

まずは親プロセスを追ってみます。

親プロセスはmain文です。

GDBが起動したら

disassemble mainで

逆アセンブルしてみます。

スタック領域を覗くために、

子プロセスを作成した次の段階で、

breakポイントを置きます。

listでコードを表示します。

break 数字でブレイクポイントを

置く場所を設定します。

今回は30行目に置きました。

run で実行します。

30行目でプログラムが止まります。

この段階でスタック領域を見てみます。

info register rip rsp rbpをタイプします。

rip : プログラムカウンタ
rsp : スタックポインタ(スタックの先頭)
rbp : ベースポインタ(スタックの末端)

すると各レジスタに格納してある、

物理アドレスが表示されます。

main(親プロセス)のスタック領域は

0x7fffffffe190から0x7fffffffe1a0

の領域に確保しています。

x/s &varA でvarAグローバル変数が

セットされたアドレスと中身の値を見ます。

これは、mainの命令がセットされた

コードセグメントに近い値を

示していることが分かります。

※varAは実際には、

bssセグメントに格納されています。

次に x/s &varB とタイプして、

varBローカル変数を表示します。

アドレスが 0x7fffffffe19c で

スタック領域にしっかりと

格納されいることが分かりますね。

それでは子プロセスの

スタック領域、varAとvarBについて

同様に表示してみましょう。

このままでは親プロセスしか

見えないので、子プロセスに変更します。

set follow-fork-mode child

とタイプします。

まずは子プロセスを逆アセンブルします。

disassemble processFuncで

子プロセスの命令がセットされた領域を

覗けます。(コードセグメント)

すると親プロセス(main)の命令に

ほぼ連続で下位アドレス側に

格納されていますね。

続いて肝心のvar変数たちを

見てみましょう。

ブレイクポイントは、

子プロセスが終了する直前の

14行目に指定して実行しています。

子プロセスのvarAグローバル変数は、

あれ・・・・・？

親プロセスと同じアドレスですね(汗

値は確かに0x32=50なので

良いのですが、なぜでしょうか。

コピーオンライト機能が

まだ継続しているのでしょうか。うーん。

ちなみにコピーオンライトとは、

子プロセスを作成しても実際に、

メモリアドレスに書き込みが

行われるまでは親プロセスと

アドレス空間を共有する機能です。

書き込みが行われて初めて、

子プロセスのみが保有する

物理メモリ領域が新たに作成されます。

もう少しアドレス空間の勉強を

深める必要があるようですね。

一方でvarBを見てみましょう。

子プロセス(processFunc)の

スタック領域の中にちゃんとありました。

中の値も0x64=100で正しいです。

ちなみにrip rsp rbpレジスタが

保持しているアドレスも出力しました。

親プロセス(main)とは別に、

下位アドレス側に向かって

スタックされていることが分かります。

以上です。

最後まで読んでいただきありがとうございました。