第三章学习笔记

第三章学习笔记

第三章 进程管理

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。

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。

typedef struct proct{
struct proc *next; 	// next proc pointer 
int		ksp;  	// saved sp: at byte offset 4 
int		pid; 	// process ID 
int		ppid;	// parent process pid 
int		status; 	// PROC status=FREE|READY, etc.
int		priority;  	// scheduling priority 
int		kstack[1024]; 	// process execution stack 

}PROC;

3.多任务处理系统

1. type.h文件

• type.h文件定义了系统常数和表示进程的简单PROC结构体

/*********** 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;

2. ts.s文件

• ts.s在32位GCC汇编代码中可实现进程上下文切换

#------------- 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

3. queue.c文件

• 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
");

}

4. t.c文件

• 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。

5. 多任务处理系统代码介绍

• （1）虚拟CPU：MT系统在Linux下编译链接为gcc -m32 t.c ts.s

• （2）init():当MT系统启动时，main()函数调用init()以初始化系统。

• （3）P0调用kfork()来创建优先级为1的子进程P1，并将其输入就绪队列中。

• （4）tswitich():tswitch()函数实现进程上下文切换。

• （5）.1 tswitch()中的SAVE函数：当正在执行的某个任务调用tswitch()时，它会把返回地址保存在堆栈上，并在汇编代码中进入tswitch()。

• （6）.2 scheduler():在执行了SAVE函数之后，任务调用scheduler()来选择下一个正在运行的任务。

• （7）.3 tswitch()中的RESUME函数

• （8）kfork():kfork()函数创建一个子任务并将其输入readyQueue中。

• （9）body()：所有创建的任务都执行同一个body()函数。

• （10）空闲任务 P0：P0的特殊之处在于它所在任务中具有最低的优先级

• （11）运行多任务处理（MT）系统

4.进程同步

1. 睡眠模式

• 为实现休眠操作，我们可以在 PROC结构体中添加一个event字段，并实现ksleep（int event）函数，使进程进入休眠状态。我们将假设对 PROC结构体进行修改以包含加粗显示的添加字段。

typedef struct proc{

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;

2. 唤醒操作

• 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）。唤醒正处于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。Kwakeup()的算法:

/********** 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);

}

}

5.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()。

6.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：

1. 用二叉树的形式实现进程家族树。

2. 实现 ksleepO()和kwakeup()进程同步函数。

3. 实现kexit（）和kwait（）进程管理函数。

4. 添加"w"命令来测试和演示等待操作。

7.Unix/Linux中的进程

1. 守护进程

syslogd: log daemon process

inetd :Internet service daemon process

httpd : HTTP server daemon process

etc.

2. 进程的执行模式

• 中断：中断是外部设备发送给 CPU的信号，请求CPU服务。

• 陷阱：陷阱是错误条件，例如无效地址、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。

• 系统调用：系统调用（简称syscall）是一种允许Umode 进程进入Kmode 以执行内核函数的机制。如果发生错误，外部全局变量 errno（在errno. h中）会包含一个ERROR代码，用于标识错误。用户可使用库函数perror( "error message");

9.I/O重点向

1. fork()操作：
   
2. 进程终止

• 正常终止：回顾前面的内容，我们知道，每个C程序的 main（）函数都是由C启动代码 crt0.o调用的。如果程序执行成功，main()最终会返回到 crt0.o，调用库函数 exit（（0）来终止进程。首先，exit（value）函数会执行一些清理工作，如刷新 stdout、关闭I/O流等。然后，它发出一个_exit（value）系统调用，使进入操作系统内核的进程终止。
• 异常终止:在执行某程序时，进程可能会遇到错误，如非法指令、越权、除零等，这些错误会被 CPU识别为异常。当某进程遇到异常时，它会进入操作系统内核。内核的异常处理程序将陷阱错误类型转换为一个函数，称为信号，将信号传递给进程，使进程终止。

10.管道

1. 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。
2. Unix/Linux中的管道编程

• 管道中断状况并不具有对称性。这是一种只有读进程没有写进程的通信通道。实际上，管道并未中断，因为只要管道有数据，读进程就仍可继续读取。下面的程序演示了Unix/Linux中的管道。

#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]
",pd[0],pd[1]);


if (fork(){


printf("parent $d close pd[0]
",getpid());


close(pd[0]);  // parent as pipe WRITER


while(i++ <10){    // parent writes to pipe 10 times


printf("parent 8d writing to pipe
",getpid());


n = write(pd[1],"I AM YOUR PAPA",16);


printf("parent %d wrote %d bytes to pipe
",getpid(),n);


}


printf("parent $d exit
",getpid());


}


else{


printf("child $d close pd[1]
",getpid());


close(pd[1]); // child as pipe READER


while(1) {


// child read from pipe


printf("child %d reading from pipe
",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,line);


}


else // pipe has no data and no writer


exit(0);；


}


}


}