ЛЕКЦІЯ 1

ТРИ МЕЖІ КУРСУ: ПРОЦЕС, АДРЕСНИЙ ПРОСТІР, СИСТЕМНІ ВИКЛИКИ

Де закінчується програма й починається машина

ВТФК · Системне програмування · 2026

План лекції

Що таке системне програмування
Три модулі курсу — три межі
Процес як абстракція ОС
Народження процесу: fork → execve → wait
Системний виклик — єдина легальна межа
Адресний простір процесу
Живе демо: ps і /proc

Фокус: одна ідея — межа середовища виконання

Що таке системне програмування

Код, що керує ресурсами машини напряму: пам'ять, процеси, мережа, залізо
Ціна помилки вища, ніж у прикладному ПЗ: витік пам'яті, збій ядра, дірка в ізоляції
Курс — не «вивчити мову», а побачити межу між програмою і системою

Мотивація: чому це важливо саме зараз

Три модулі — три межі

Модуль 1 · Docker — межа між процесом і ОС: namespaces, cgroups
Модуль 2 · Rust — межа між програмою і власною пам'яттю: ownership, borrow checker
Модуль 3 · WebAssembly — межа між кодом і чужим середовищем виконання

Файл на диску ↔ процес у пам'яті

Файл програми (/bin/sleep)

Пасивні байти: код, таблиці символів, метадані ELF
Нічого не робить, доки лежить на диску
Ідентифікатор — шлях у файловій системі
Один файл → скільки завгодно процесів

execve()

Процес

Активне виконання, яке ядро супроводжує
PID, адресний простір, дескриптори, UID/GID
Живе в ілюзії «я сам на машині»
Народжується через execve(), завершується з кодом

Ілюзію «я сам на машині» підтримує ядро: планувальник і MMU

З чого складається процес у ядрі (task_struct)

PID і станrunning · sleeping · stopped · zombie

Батько (PPID)дерево процесів від PID 1

Адресний простірtext · data · heap · stack; таблиця сторінок

Дескриптори0 stdin · 1 stdout · 2 stderr · далі файли, сокети

Облікові даніUID, GID, capabilities — що дозволено

Простори іменякий «світ» бачить процес → Лекція 2

Усе це видно через каталог /proc/<pid>/

Процес під мікроскопом: /proc

bash

sleep 300 &
PID=$!                # напр. 3101
cat /proc/$PID/status | head -5
cat /proc/$PID/maps | head -5
ls /proc/$PID/fd

/proc — файлова проекція внутрішнього стану ядра для кожного процесу

/proc/<pid>/ — що де лежить

Файл	Що показує	Частина task_struct
`status`	стан, PPID, пам'ять, UID/GID	стан, батько, облікові дані
`maps`	регіони адресного простору і права	таблиця сторінок (mm)
`fd/`	відкриті дескриптори як символьні посилання	таблиця файлів
`cmdline`	аргументи запуску	образ програми
`ns/`	простори імен процесу	→ Лекція 2
`cgroup`	група керування ресурсами	→ Лекція 2

Файли генеруються ядром «на льоту» при читанні — це не диск

/proc/<pid>/maps докладно

bash

cat /proc/$PID/maps
# приклад рядка:
# 55f2a1000000-55f2a1001000 r--p 00000000 08:01 123 /bin/sleep
# 7f9c4b000000-7f9c4b028000 r-xp 00000000 08:01 456 /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6

Кожен рядок — один регіон адресного простору: адреси, права rwx, файл-джерело

Народження процесу: fork → execve → wait

1
fork() / clone()копія батька; дитина отримує власний PID
2
execve() у дитиніобраз пам'яті замінено новою програмою; PID той самий
3
wait4() у батькаshell блокується, доки дитина працює
4
exit() дитиникод завершення повертається батькові
5
Zombie → прибранопісля wait ядро звільняє task_struct

Так shell запускає кожну команду: ls, cat, docker

Хто є хто після clone() і execve()

На демо покажіть: PID дитини той самий до і після execve — змінився лише вміст пам'яті

fork() ↔ execve()

fork()

Створює НОВИЙ процес — копію поточного
Повертає двічі: 0 дитині, PID батькові
Пам'ять спільна через copy-on-write
Код лишається той самий

execve()

Процес той самий — PID не змінюється
Повертає лише при помилці
Пам'ять повністю замінена новим образом
Код — уже інша програма

Два незалежні кроки замість одного «запустити програму» — дизайн Unix

clone() і copy-on-write

Сучасний Linux реалізує fork() через гнучкіший clone() з прапорцями
Copy-on-write: сторінки батька й дитини спільні до першого запису
Перший запис копіює одну конкретну сторінку, а не всю пам'ять
Прапорці CLONE_NEWPID, CLONE_NEWNET… — основа контейнерів у Лекції 2

strace: fork, execve наживо

bash

strace -f -e trace=fork,vfork,clone,execve,wait4 bash -c "ls > /dev/null"

Видно послідовність clone() (нова дитина) → execve() (заміна образу) → wait4() (батько чекає)

Системний виклик (syscall) — єдина легальна межа

Диск і мережу програма читає лише через syscall: read, write, openat, execve, clone
Межа привілеїв: ядро не довіряє user space і робить небезпечне саме
Контейнер, компілятор Rust, Wasm-рантайм — зрештою про те, які syscalls дозволені

Кільця захисту (Ring 0 / Ring 3)

Ring 0 (kernel mode) — привілейований режим: ядро, драйвери, планувальник
Ring 3 (user mode) — звичайні програми без привілейованих інструкцій
Привілейована інструкція з Ring 3 → апаратний виняток (general protection fault)
Інструкція syscall — контрольований «місток» з Ring 3 у Ring 0 і назад

Межа в цифрах

450+

системних викликів

ядро Linux на x86-64

кільця, що реально використовує Linux

Ring 0 · Ring 3

інструкція переходу

syscall — і назад sysret

прямих доступів до заліза з Ring 3

диск, мережа, MMU — лише через ядро

libc ховає syscalls за printf, malloc, fopen — але знизу завжди вони

Побачити syscalls наживо

bash

strace -c ls > /dev/null
# short summary: скільки викликів read/write/openat/execve...

strace показує реальний діалог програми з ядром

Живе демо: анатомія процесу

Запустити sleep 300 & і зберегти PID
Показати процес у ps aux | grep sleep
cat /proc/$PID/status — стан, пам'ять, батько
cat /proc/$PID/maps — сегменти адресного простору
ls /proc/$PID/fd — відкриті дескриптори

Очікувано: Студенти бачать: процес у ps — це рядок, а в /proc — цілий каталог зі структурою пам'яті й дескрипторів

Адресний простір процесу

text — код програми (тільки читання, виконання)
data/bss — глобальні змінні
heap — динамічна пам'ять, росте вгору
stack — локальні змінні й виклики функцій, росте вниз
Кожен процес бачить СВІЙ простір 0…2^64 — ізоляція за замовчуванням

Сегменти адресного простору

Сегмент	Вміст	Права	Росте
text	машинний код програми	r-x	—
data / bss	глобальні змінні	rw-	—
heap	malloc / new; brk, mmap	rw-	↑ вгору
shared libs	libc.so та інші, через mmap	r-x	—
stack	локальні змінні, адреси повернення	rw-	↓ вниз

Ті самі регіони — рядки у /proc/<pid>/maps; права видно в другій колонці

Чому Docker — перша межа курсу

Docker не віртуалізує залізо — ізолює одне ядро для кількох процесів
Найдешевша й найближча до звичайного процесу форма ізоляції
Розуміння процесу з цієї лекції — основа для namespaces у Лекції 2

Мета абстракції — не бути розпливчастим, а створити новий семантичний рівень, на якому можна бути абсолютно точним.

— Едсгер Дейкстра, «The Humble Programmer» (1972)

Наперед: перший контейнер

bash

docker run --rm -it ubuntu:24.04 ps aux
# у контейнері PID 1 — це наш процес, а не системний init хоста

Анонс Л2: той самий процес, інший PID-простір

Підводні камені: процес і syscalls

PID — лише ключ пошуку; реальний стан живе в task_struct ядра
fork() не копіює пам'ять миттєво — copy-on-write відкладає до першого запису
strace бачить лише межу user↔kernel, а не виклики бібліотечних функцій
/proc — живий, не знімок: значення змінюються між двома cat

Підсумок

Процес — активна абстракція ядра: PID, адресний простір, дескриптори, права
Системний виклик — єдина легальна межа між програмою і машиною
Курс тричі повертається до цієї межі: Docker, Rust, WebAssembly
Наступного разу: як ядро приховує одні процеси від інших (namespaces)

🥚 У прикладах /proc фоновий процес має PID 3101 — шістнадцятково 0xC1D. Це не випадковість: таке число трапиться в курсі ще не раз.

VTFK · TERMLINK · L01← → · space · f — на весь екран

ТРИ МЕЖІ КУРСУ: ПРОЦЕС, АДРЕСНИЙ ПРОСТІР, СИСТЕМНІ ВИКЛИКИ

План лекції

Що таке системне програмування

Три модулі — три межі

Файл на диску ↔ процес у пам'яті

З чого складається процес у ядрі (task_struct)

Процес під мікроскопом: /proc

/proc/<pid>/ — що де лежить

/proc/<pid>/maps докладно

Народження процесу: fork → execve → wait

Хто є хто після clone() і execve()

fork() ↔ execve()

clone() і copy-on-write

strace: fork, execve наживо

Системний виклик (*syscall*) — єдина легальна межа

Кільця захисту (Ring 0 / Ring 3)

Межа в цифрах

Побачити syscalls наживо

Живе демо: анатомія процесу

Адресний простір процесу

Сегменти адресного простору

Чому Docker — перша межа курсу

Наперед: перший контейнер

Підводні камені: процес і syscalls

Підсумок

Системний виклик (syscall) — єдина легальна межа