Unix/Linux系统编程自学笔记-第三章:Unix/Linux进程管理

0、概述

​ 本章讨论了Unix/Linux中的进程管理；

​ 介绍了进程的概念；

​ 多任务处理原则和多任务处理的基本系统，并给出了实例与代码，稍后将会实现之；

​ 进程同步的概念与基本运行原理；

​ MT系统中的进程管理；

​ Unix/Linux系统进程的来源；

​ 进程管理的系统调用；

​ I/O重定向和管道相关的内容。

1、概念介绍

  1. 多任务处理

    计算机技术概念中的多任务处理指的是同时执行若干独立任务。无论是在多处理机系统还是单处理机系统都可以实现多任务处理。对于单处理机系统，多任务处理的实现依靠着多路复用技术，通过上下文的快速切换实现逻辑上的多任务并行处理。这种并行性被称为并发。

  2. 进程的概念

    进程是对映像的执行。一个进程是一个对资源的动态利用的过程，系统内核通过一个独特的数据结构来表示，它被称为进程控制块PCB或任务控制块TCB。在本章中直接称之为PROC结构体。以下是PROC的一般定义：

    其中，next是指向下一个PROC结构体的指针；

    ksp字段是保存的堆栈指针，存储了放弃使用CPU的进程的上下文；

    pid标识一个进程的ID编号；

    ppid为父进程的编号；

    status是进程的当前状态；

    priority是进程的调度优先级；

    kstack是进程执行时的堆栈。

2、多任务处理系统

​ 多任务处理系统，简称MT，具有如下格式：

  1. type.h文件，定义了系统常数和简单的PROC结构体：

    /*********** type.h file ************/
#define NPROC   9			//numbers of PROC
#define SSIZE 1024			//stack size = 4KB

// PROC status
#define FREE    0
#define READY   1
#define SLEEP   2
#define ZOMBIE  3
typedef struct proc{
    struct proc *next;		 //next proc pointer
    int *ksp;				//saved stack pointer
    int pid;				//pid = 0 to NPROC-1
    int ppid;				//parent pid
    int status;				//PROC status
    int priority;			//scheduled priority
    int  kstack [SSIZE];	 //process stack
}PROC;

  2. ts.s文件，32汇编代码，用于实现上下文切换：

    #-------------- ts.s 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|
#                  -1   -2  -3  -4  -5  -6  -7  -8   -9

  3. queue.c文件，可实现队列和链表操作函数：

    /******************************* 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");
}

  4. t.c文件，定义MT系统数据结构、系统初始化代码和进程管理函数：

    /*********** t.c file of A Multitasking System ***********/
#include <stdio.h>
#include "type.h"

PROC proc[NPROC];	//NPROC PROCs
PROC *freeList;		//freeLists
PROC *readyQueue;
PROC *running;

#include "queue.c"

/***********************************************************
	kfork() creats a child process and returns a chile pid,
	When scheduled to run , child PROC resumes to body;
***********************************************************/

int kfrok()
{...}

int kexit()	//to exit
{...}

int do_kfork()
{...}

int do_switch()
{...}

int do_exit()
{...}

int body()	//prcdess body function
{...}

int init()
{...}

int main()
{...}

int scheduler()
{...}

3、进程同步与终止

  1. 睡眠模式

    顾名思义，当进程需要某些当前没有的东西时就会进入睡眠模式，在PROC结构体添加event字段即可实现休眠功能：

    typedef struct proc{
...
int event;
int exitevent;
struct proc *child;
struct proc *sibling;
struct proc *parent;
...
}PROC

  2. 唤醒操作

    当等待的东西准备好后,就需要等待者醒来，进行下一步操作，调用kwakeup()就可以唤醒进程。

  3. 进程终止

    在操作系统中，进程会终结或死亡，即进程终止。进程终止有两种方式：

    • 正常终止：调用结束函数exit(value)进行终止，由进程自身操作。
    • 异常终止：进程因为某个信号而异常终止，最终会调用kexit()：


4. 进程家族树

进程家族树是PROC中指向进程的兄弟进程和父进程的指针集合：

PROC *child ， *siblings ， *parent；

它们构成了一个进程树或二叉树，借此可以方便的找到进程的兄弟进程和父进程。

  1. 等待子进程终结

    任何时候，进程都可以调用内核函数：

    pid = kwait（int *status）；

    此内核函数能等待僵尸进程，并将其内存空间释放。

    当进程被终结时，它会发出

    kwakeup（running -> parent）；

    来唤醒父进程。

    当一个进程死亡时，其所有子进程都会成为INIT进程P1的子进程，P1进程的功能如下：

    • 它是除了P0之外所有进程的祖先，所有用户进程的始祖，所有登录进程都是它的子进程。
    • 它管理所有没有父进程的进程，所有失去父进程的子进程都会认它为父进程。
    • 寻找并处理所有已死亡的僵尸进程，释放系统内存。

4、MT系统中的进程管理

​ MT系统管理函数的一般格式：

  • 用二叉树实现的进程家族树
  • 实现 ksleep() 和 kwakeup() 进程同步函数
  • 实现 kexit() 和 kwait() 进程管理函数
  • 添加 "w" 命令来进行测试或演示操作

5、Unix/Linux中的进程

  1. 进程的来源
    当操作系统启动时，操作系统内核会强行创建一个 PID=0 的初始进程，即通过分配 PROC 结构体 （通常是proc[0]）来初始化 PROC 的内容，并让运行指向 proc[0] ，然后它会挂载一个根文件系统，使得系统可以使用文件。在初始化后P0会复刻出子进程P1，并将进程切换为用户模式继续运行P1。

  2. P1进程
    P1进程也被称为INIT进程，因为P1开始运行后的执行映像被更改为了INIT程序。P1中的大部分子进程都是用来提供服务的，不进行用户交互，它们被称为守护进程。

  3. 登录进程
    P1中用于用户登录的LOGIN进程，每个进程打开三个相关文件流（stdin、stdout 和 stderr），指向的是堆栈区中的FILE结构体。

  4. 进程的执行模式

    Linux/Unix系统中的进程有内核模式(Kmode)和用户模(Umode)式两种。进程在两种模式下动态变化，内核模式下进程可以随意进入用户模式，但用户模式进入内核模式只有三种方法：

    • 中断

      外部设备发给CPU请求服务信号，在用户模式下的CPU将会响应该信号并中断进程，然后CPU进入内核模式处理中断。

    • 陷阱

      即错误条件，CPU识别到错误条件后会尽行异常处理，此时CPU会进入内核模式处理异常。

    • 系统调用

      系统调用只可在内核模式下使用，这将会使CPU进入内核模式。

6、I/O重定向

  1. sh进程有三个用于终端I/O的文件流：

    • stdin：标准输入，文件名描述符为0
    • stdout：标准输出，文件描述符为1
    • stderr：标准错误，文件描述符为2

  2. 重定向标准输入/输出

    • 重定向标准输入

      #include <fcntl.h>

close(0);
int fd=open("filename",O_RDONLY);
/*
close()关闭文件描述符0，open()系统调用打开文件
*/
/* OR */
int fd=open("filename",O_RDONLY);
clode(0);
dup(fd);
/*
系统调用dup(0)复制fd到数值最小的未使用文件描述符中
*/

    • 重定向标准输出

      printf("filename=%s\n",items);
/* 想要实现上述操作需要发出一个write系统调用: */
close(1);
open("filename",O_WRONLY|O_CREAT,0644);

7、管道

​ 管道可以实现进程间的单向数据交换，每个管道有一个输入端，一个输出 端。可以从管道的读取端读取写入管道写入端的数据。

  1. 管道命令处理

    命令行有如下格式：

    cmd1 | cmd2

    其中的"|"符号就是管道符号，cmd1的输出会变成cmd2的输入。

  2. 命名管道

    又称为FIFO，管道的名称以某种文件形式存储在文件系统之中，一旦命名后就会一直存在，直到使用rm或unlink将其删除。一个实例：

    mknod mypepe p

    或者：

    int r=mknod("mypipe",S_IFIFO,0);

    以上两种命令都可以在当前目录下创建一个名为mypipe的特殊文件,使用ls命令就可看到该文件,使用如下命令:

    ls -l mypipe

    即可显示管道链接的详细信息:

    prw-r-r- 1 root root 0 time mypipe

    文件类型p表示它是管道，连接数是1，大小为0。

实践

  1. 根据书中3.10.1中的示例3.7，实现了管道操作

  2. 遇到的问题

    编译过程报错，显示没有pipe函数的声明。

  3. 解决问题解决

    缺少头文件，unistd.h 添上即可

  4. 代码

  5. 截图

    • 编译运行结果
    • 报错
    • 解决方法
posted @ 2021-10-25 00:56  20191314汇仁  阅读(139)  评论(0)  编辑  收藏  举报