第三章笔记
概要
本章讨论了 Unix/Linux 中的进程管理;阐述了多任务处理原则;介绍了进程概念;以一个编程示例来说明多任务处理、上下文切换和进程处理的各种原则和方法。
多任务处系统支持动态进程创建、进程终止，以及通过休眠与唤醒实现进程同步、进程关系，以及二叉树的形式实现进程家族树，从而允许父进程等待子进程终止;提供了一个具体示例来阐释进程管理函数在操作系统内核中是如何工作的;然后，解释了 Unix/Linux 中各进程的来源，包括系统启动期间的初始进程、INIT 进程、守护进程、登录进程以及可供用户执行命令的 sh 进程;接着，对进程的执行模式进行了讲解，以及如何通过中断、异常和系统调从用户模式转换到内核模式;
再接着，描述了用于进程管理的 Unix/Linux 系统调用，包括 fork、wait、exec 和 exit ;阐明了父进程与子进程之间的关系，包括进程终止和父进程等待操作之间关系的详细描述;解释了如何通过 INIT 进程处理孤儿进程，包括当前 Linux 中的 subreaper 进程，并通过示例演示了 subreaper 进程;接着，详细介绍了如何通过 exec 更改进程执行映像，包括 execve 系统调用、命令行参数和环境变量;解释了 1/0 重定向和管道的原则及方法，并通过示例展示了管道编程的方法。
1.多任务处理
多任务处理指的是同时进行几项独立活动的能力。、在计算机技术中，多任务处理指的是同时执行几个独立的任务。在单处理器（单CPU）系统中，一次只能执行一个任务。多任务处理是通过在不同任务之间多路复用CPU的执行时间来实现的，即将CPU执行操作从一个任务切换到另一个任务。不同任务之间的执行切换机制称为上下文切换，将一个任务的执行环境更改为另一个任务的执行环境。如果切换速度足够快，就会给人一种同时执行所有任务的错觉。这种逻辑并行性称为“并发”。在有多个CPU或处理器内核的多处理器系统中，可在不同CPU上实时、并行执行多项任务。此外，每个处理器也可以通过同时执行不同的任务来实现多任务处理。多任务处理是所有操作系统的基础。总体上说，它也是并行编程的基础。
type.h:
点击查看代码
/*********** type.h file ************/
#define NPROC 9
#define SSIZE 1024
// PROC status
#define FREE 0
#define READY 1
#define SLEEP 2
#define ZOMBIE 3
typedef struct proc{
struct proc *next;
int *ksp;
int pid;
int status;
int priority;
int kstack [SSIZE];
}PROC;
ts.s:
点击查看代码
#------------- ts,s file file-------
.globl running,scheduler, tswitch
tSwitch:
SAVE:pushl %eax :
pushl %ebx
pushl %ecx
pushl %edx
pushl %ebp
pushl %esi
pushl %edi
pushf1
movl running, Sebx
mov1 # esp,4(%ebx)
FIND: call scheduler
RESUME: movl running,8ebx
Movl 4(%ebx),%esp
popf1
popl %edi
popl %esi
popl %ebp
popl %edx
popl %ecx
popl %ebx
popl %eax
ret
# stack contents=|retPC|eax|ebx|ecx|edx|ebp|esi|edi|eflag|
# -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -1
queue.c文件:
点击查看代码
/***************** queue。C file*****************/
int enqueue(PROC **queue,PROC *p)
{
PROC *q = *queue;
if(q == 0 || p->priority> q->priority){
*queue = p;
p->next = q;
}
else{
while(g->next && p->priority <= q->next->priority)
q = q->next;
p->next = q->next;
q->next = p;
}
}
PROC *dequeue (PROC **queue)
{
PROC *p = *queue;
if (p)
*queue =(*queue)->next;
return p;
}
int printList(char *name,PROC *p)
{
printf("%s = ",name);
while(p){
printf("[8d %d]->",p->pid,p->priority);
p = p->next;
}
printf("NULL\n");
}
2.进程的概念
- 操作系统是一个多任务处理系统。在操作系统中，任务也称为进程。在实际应用中，任务和进程这两个术语可以互换使用。在第2章中，我们把执行映像定义为包含执行代码、数据和堆栈的存储区。
- 进程是对映像的执行。
- 操作系统内核将一系列执行视为使用系统资源的单一实体。系统资源包括内存空间以及最重要的CPU时间。在操作系统内核中,每个进程用一个独特的数据结构表示,叫作进程控制块(PCB)或任务控制块(TCB)等。在本书中,我们直接称它为PROC结构体。与包含某个人所有信息的个人记录一样,PROC结构体包含某个进程的所有信息在实际操作系统中,PROC结构体可能包含许多字段,而且数量可能很庞大。首先,我们来定义一个非常简单的PROC结构体来表示进程。
3.进程同步
一个操作系统包含许多并发进程，这些进程可以彼此交互。进程同步是指控制和协调进程交互以确保其正确执行所需的各项规则和机制。最简单的进程同步工具是休眠和唤醒操作。
4.睡眠模式
当某进程需要某些当前没有的东西时， 例如申请独占一个存储区域、 等待用户通过标准输人来输入字符等， 它就会在某个事件值上进入休眠状态， 该事件值表示休眠的原因。 为实现休眠操作， 我们可在 PROC 结构体中添加一个 event 字段， 并实现 ksleep(int event) 函数，使进程进人休眠状态。
点击查看代码
struct proc *next;
int*ksp;
int pid;
int ppid;
int status;
int priority;
int event;
int exitCode;
struct proc *child;
struct proc *sibling;
struct proc *parent;
int kstack[1024];
}PROC;
##5.唤醒操作
一个进程可能会进入休眠状态等待同一个事件，这是很自然的，因为这些进程可能都需要同一个资源，例如一台当前正处于繁忙状态的打印机。在这种情况下，所有这些进程都将休眠等待同一个事件值。当某个等待时间发生时，另一个执行实体（可能是某个进程或中断 处理程序）将会调用 kwakeup(event), 唤醒正处千休眠状态等待该事件值的所有程序。如果没有任何程序休眠等待该程序，kwakeup（） 就不工作，即不执行任何操作。
点击查看代码
/********** Algorithm of kwakeup(int event)*********/
// Assume SLEEPing proCs are in a global sleepiist
for each PROC *p in sleepList do {
if (p->event == event){
delete D from sleepLiBt;
p->8tatu8 = READY;
enqueue(EreadyQueue,p);
}
}
6.进程终止
正常终止：进程调用exit（value），发出 exit（value）系统调用来执行在操作系统内核
中的 kexit（value），这就是我们本节要讨论的情况。
异常终止：进程因某个信号而异常终止。信号和信号处理将在后面第6章讨论。
在这两种情况下，当进程终止时，最终都会在操作系统内核中调用kexit()。
7.MT系统中的进程管理
完善基础MT系统，实现MT系统的进程管理函数：
用二叉树的形式实现进程家族树。
实现 ksleepO()和kwakeup()进程同步函数。
实现kexit（）和kwait（）进程管理函数。
添加"w"命令来测试和演示等待操作。
8.Unix/Linux中的进程
-
进程的执行模式
在 Unix/Linux 中， 进程以两种不同的模式执行， 即内核模式和用户模式， 简称 Kmode 和 Umode。 -
中断：中断是外部设备发送给 CPU 的信号，请求 CPU 服务 c 当在 Urnode 下执行时， CPU 中断是启用的因此它将响应任何中断。 在中断发生时， CPU 将进人 Kmode 来处 理中断， 这将导致进程进人 Kmode。
-
陷阱：陷阱是错误条件． 例如有效地址、 非法指令 、 除以0等， 这些错误条件被 CPU 识别为异常， 使得 CPU 进入 Kmode 来处理错误。 在 Unix/Linux 中， 内核陷阱处理程序将陷阱原因转换为信号编号， 并将信号传递给进程。 对于大多数信号 ． 进程的默认操作是终止。
-
系统调用： 系统调用（简称 syscall) 是一种允许 Umode 进程进人 Kmode 以执行 内核函数的机制。
fork()
Usage: int pid = fork()
9.I/O重定向
当进程执行库函数
printf("format=%s\n",items);
它试图将数据写入 stdout 文件FILE 结构体中的 fbuf[]，这是缓冲行。如果 fbuf[]有一个完整的行，它会发出一个write系统调用，将数据从 fbuf[]写入文件描述符1，映射到终端屏幕上。要想将标准输出重定向到一个文件，需执行以下操作。
c1ose(1);
点击查看代码
c1ose(1);
open("filename",O_WRONLY|O_CREAT,0644);
10.管道
概念：
管道是用于进程交换数据的单向进程间通信通道。管道有一个读取端和一个写入端。可从管道的读取端读取写入管道写入端的数据。自从管道在最初的Unix 中首次出现以来，已经被用于几乎所有的操作系统中，有许多变体。一些系统允许双向管道，在双向管道上，数据可以双向传输。普通管道用于相关进程。命名管道是不相关进程之间的 FIFO通信通道。但是，如果管道不再有读进程，写进程必须将这种情况视为管道中断错误，并中止写入。
Unix/Linux中的管道编程
点击查看代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
int pd[2],n,i;
char line[256];
int main()
{
pipe(pd);
printf("pd=[$d,%d]\n",pd[0],pd[1]);
if (fork(){
printf("parent $d close pd[0]\n",getpid());
close(pd[0]); // parent as pipe WRITER
while(i++ <10){ // parent writes to pipe 10 times
printf("parent 8d writing to pipe\n",getpid());
n = write(pd[1],"I AM YOUR PAPA",16);
printf("parent %d wrote %d bytes to pipe\n",getpid(),n);
}
printf("parent $d exit\n",getpid());
}
else{
printf("child $d close pd[1]\n",getpid());
close(pd[1]); // child as pipe READER
while(1) {
// child read from pipe
printf("child %d reading from pipe\n",getpid());
if((n = read(pd[0],line,128))){ // try to read 128 bytes
line[n]=0;
printf("child read $d bytes from pipe: 8s\n",n,line);
}
else // pipe has no data and no writer
exit(0);；
}
}
}
