《Unix/Linux系统编程》第三章学习笔记

第3章 Unix/Linux进程管理

1. 多任务处理

在单处理器系统中，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。它是所有操作系统的基础。

2. 进程

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、I/O设备以及最重要的CPU时间。每个进程用一个独特的数据结构表示（PROC)。PROC结构体包含了某个进程的所有信息。

3. 多任务处理系统

多任务处理系统，由以下几个部分组成。

      (1)type.h文件定义了系统常数和表示进程的简单PROC结构体。

      (2)ts.s文件在32位GCC汇编代码中可实现进程上下文切换。

      (3)queue.c文件可实现队列和链表操作函数。其中enqueue()函数按优先级将PROC输入队列中。在优先级队列中，具有相同优先级的进程按先进先出的顺序排序。

      (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。

4. 进程同步

(1)睡眠模式

当某进程需要某些当前没有的东西时，它就会在某个事件值上进入休眠状态。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。接下来，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。

(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。

5. 进程终止

进程能以两种方式终止：

(1)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??? kexit??value?????

   (2)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。

修改后的MT系统的输出示例:

7. Unix/Linux中的进程

　　(1)进程来源

　　当操作系统启动时，操作系统内核的启动代码会强行创建一个PID=0的初始进程。然后系统执行它。在初始化系统后，P0复刻一个子进程P1，并把进程切换为以用户模式运行P1。

　　(2)INIT和守护进程

　　P1的大部分子进程都是用来提供系统服务的。它们在后台运行，不与任何用户交互。它们被称为守护进程。

      (3)登录进程

　　除了守护进程，P1复刻了许多登录进程，每个终端上一个，用于用户登录。每个登录进程打开三个与自己的终端相关联的文件流（stdin, stdout, stderr).

      (4)sh进程

　　当用户成功登录时，LOGIN 进程会获取用户的 gid 和 uid，从而成为用户的进程。它将目录更改为用户的主目录并执行列出的程序，通常是命令解释程序 sh。现在，用户进程执行sh，因此用户进程通常称为 sh 进程。它提示用户执行命令。一些特殊命令，如cd(更改目录)、退出、注销等，由sh 自己直接执行。其他大多数命令是各种 bin 目录(如/bin、/sbin、/usr/bin、/usr/local/bin 等)中的可执行文件。对于每个(可执行文件)命令，sh 会复刻一个子进程，并等待子进程终止。子进程将其执行映像更改为命令文件并执行命令程序。子进程在终止时会唤醒父进程 sh，父进程会收集子进程终止状态、释放子进程 PROC 结构体并提示执行另一个命令等。除简单的命令之外，sh 还支持 I/O 重定向和通过管道连接的多个命令。

      (5)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。当在 Umode 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 将进入 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。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 进程进入 Kmode 以执行内核函数的机制。当某进程执行完内核函数后，它将期望结果和一个返回值返回到 Umode,该值通常为0(表示成功)或-1(表示错误)。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。

8. 进程管理的系统调用

      　　(1)fork()

    　　 (2)进程执行顺序

　　　子进程与父进程和系统中所有其他进程竞争CPU运行时间。根据调度优先度的顺序，优先度的顺序，优先度动态变化。

     　　(3)进程终止

     　　(4)等待子进程终止

　　　在任何时候，一个进程都可以使用int pid = wait(int *status);系统调用，等待僵尸子进程。如果成功，则wait()会返回僵尸子进程的PID，而且status包含僵尸子进程的exitCode。此外，wait()还会释放僵尸子进程，以供重新使用。

9. I/O重定向

  　　 (1)文件流和文件描述符

　　每个文件流对应Linux内核中一个打开文件。它们都用一个文件描述符表示。

stdin、stdout、stderr的文件描述符分别为0、1、2。

   　　(2)管道与管道命令

　　管道是用于进程交换数据的单向进程间同此你通道。有一个读取端和一个写入端。

在Unix/Linux中，命令行cmd1|cmd2包含一个管道符号“|”。Sh将通过一个进程运行cmd1，另一个运行cmd2。