12.1進(jìn)程切換

實(shí)際上為用戶(hù)提供的系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)，用戶(hù)在執(zhí)行它的應(yīng)用的過(guò)程當(dāng)中昔脯，有需求要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程啄糙，如何來(lái)創(chuàng)建一個(gè)新的進(jìn)程，在這里頭運(yùn)行一個(gè)新的程序云稚，那這個(gè)是進(jìn)程加載隧饼，父進(jìn)程創(chuàng)建子進(jìn)程之后，它們倆之間需要有一些協(xié)調(diào)的關(guān)系静陈，比如說(shuō)子進(jìn)程結(jié)束之后燕雁，父進(jìn)程負(fù)責(zé)回收它所占用的資源诞丽，那這個(gè)時(shí)候它們之間有一個(gè)通訊關(guān)系這就是進(jìn)程的等待和退出

進(jìn)程切換

■進(jìn)程切換(上下文切換)

暫停當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程，從運(yùn)行狀態(tài)變成其他狀態(tài)

調(diào)度另一個(gè)進(jìn)程從就緒狀態(tài)變成運(yùn)行狀態(tài)

■進(jìn)程切換的要求

切換前拐格，保存進(jìn)程上下文

切換后僧免，恢復(fù)進(jìn)程上下文

快速切換

注：為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的效率，這個(gè)切換的速度必須非衬笞牵快所以通常情況下它都是由匯編來(lái)實(shí)現(xiàn)的

■進(jìn)程生命周期的信息

寄存器(PC, SP,…)

CPU狀態(tài)

內(nèi)存地址空間

精髓：

■進(jìn)程切換的原因：中斷懂衩，陷阱（異常）和系統(tǒng)調(diào)用

中斷：

時(shí)鐘中斷：當(dāng)前進(jìn)程時(shí)間片用完了

I/O中斷:操作系統(tǒng)確定是否發(fā)生了I/O活動(dòng)。

內(nèi)存失效：要訪(fǎng)問(wèn)的內(nèi)存不在主存中金踪，要調(diào)入內(nèi)存浊洞。

進(jìn)程控制塊PCB:內(nèi)核的進(jìn)程狀態(tài)記錄

內(nèi)核為每個(gè)進(jìn)程維護(hù)了對(duì)應(yīng)的進(jìn)程控制塊（PCB)

內(nèi)核將相同狀態(tài)的進(jìn)程的PCB放置在同一隊(duì)列

精髓：

進(jìn)程狀態(tài)的變化

進(jìn)程切換步驟：

1)保存處理器上下文環(huán)境，包括程序計(jì)數(shù)器和其他寄存器热康。

2)更新當(dāng)前處于運(yùn)行態(tài)進(jìn)程的進(jìn)程控制塊沛申，包括將進(jìn)程的狀態(tài)改變到另一狀態(tài)(就緒態(tài)、阻塞態(tài)姐军、就緒/掛起態(tài)或退出態(tài))。還必須更新其他相關(guān)域尖淘，包括離開(kāi)運(yùn)行態(tài)的原因和記賬信息奕锌。

3)將進(jìn)程的進(jìn)程控制塊移到相應(yīng)的隊(duì)列(就緒、在事件i處阻塞村生、就緒/掛起)惊暴。

4)選擇另一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行，這方面的內(nèi)容將在本書(shū)的第四部分探討趁桃。

5)更新所選擇進(jìn)程的進(jìn)程控制塊辽话，包括將進(jìn)程的狀態(tài)變?yōu)檫\(yùn)行態(tài)。

6)更新內(nèi)存管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)卫病，這取決于如何管理地址轉(zhuǎn)換油啤。

7)恢復(fù)處理器在被選擇的進(jìn)程最近一次切換出運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的上下文環(huán)境，這可以通過(guò)載入程序計(jì)數(shù)器和其他寄存器以前的值來(lái)實(shí)現(xiàn)蟀苛。

12.2進(jìn)程創(chuàng)建

創(chuàng)建新進(jìn)程

■Windows進(jìn)程創(chuàng)建API：CreateProcess(filename)

創(chuàng)建時(shí)關(guān)閉所有在子進(jìn)程里的文件描述符CreateProcess(filename, CLOSE_FD)

創(chuàng)建時(shí)改變子進(jìn)程的環(huán)境CreateProcess(filename, CLOSE_FD, new_envp)

■Unix進(jìn)程創(chuàng)建系統(tǒng)調(diào)用：fork/exec

·fork()把一個(gè)進(jìn)程復(fù)制成二個(gè)進(jìn)程

parent (old PID), child (new PID)

·exec()用新程序來(lái)重寫(xiě)當(dāng)前進(jìn)程

PID沒(méi)有改變

■用fork和exec創(chuàng)建進(jìn)程的示例

int pid = fork()益咬；//創(chuàng)建子進(jìn)程

if(pid == 0) {//子進(jìn)程在這里繼續(xù)

// Do anything (unmap memory, close net connections…)

exec(“program”, argc, argv0, argv1,…);

}

■fork()創(chuàng)建一個(gè)繼承的子進(jìn)程

復(fù)制父進(jìn)程的所有變量和內(nèi)存

復(fù)制父進(jìn)程的所有CPU寄存器(有一個(gè)寄存器例外)

■fork()的返回值

子進(jìn)程的fork()返回0

父進(jìn)程的fork()返回子進(jìn)程標(biāo)識(shí)符

fork()返回值可方便后續(xù)使用，子進(jìn)程可使用getpid()獲取PID

fork()的地址空間復(fù)制

■fork()執(zhí)行過(guò)程對(duì)于子進(jìn)程而言帜平，是在調(diào)用時(shí)間對(duì)父進(jìn)程地址空間的一次復(fù)制

對(duì)于父進(jìn)程fork()返回child PID,對(duì)于子進(jìn)程返回值為0

程序加載和執(zhí)行

系統(tǒng)調(diào)用exec( )加載新程序取代當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程

exec()示例代碼

main()

…

int pid = fork();//創(chuàng)建子進(jìn)程

if (pid == 0) {//子進(jìn)程在這里繼續(xù)

exec_status = exec(“calc”, argc, argv0, argv1,…);

printf(“Why would I execute?”);

} ?else {//父進(jìn)程在這里繼續(xù)

printf(“Whose your daddy?”);

…

child_status = wait(pid);

}

fork()使用示例（循環(huán)內(nèi)fork（）父子都同時(shí)產(chǎn)生新的子進(jìn)程）

int ?main()

{

pid_t ?pid;

int ?i;

for ?(i=0; ?i

{

/* fork ?another ?process ?*/

pid = fork();

if ?(pid < 0) { /*error ?occurred ?*/

fprintf(stderr,“Fork Failed”);

exit(-1);

}

else if (pid == 0) { /* child process */

fprintf(stdout,“i=%d, ?pid=%d, ?parent ?pid=%d\n”,I,

getpid() ,getppid());

}

}

wait(NULL);

exit(0);

}

Fork()的開(kāi)銷(xiāo)幽告？

■fork()的實(shí)現(xiàn)開(kāi)銷(xiāo)

對(duì)子進(jìn)程分配內(nèi)存

復(fù)制父進(jìn)程的內(nèi)存和CPU寄存器到子進(jìn)程里

開(kāi)銷(xiāo)昂貴!!

■在99%的情況里，我們?cè)谡{(diào)用fork()之后調(diào)用exec()

在fork()操作中內(nèi)存復(fù)制是沒(méi)有作用的

子進(jìn)程將可能關(guān)閉打開(kāi)的文件和連接

為什么不能結(jié)合它們?cè)谝粋€(gè)調(diào)用中?

■vfork()

創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)裆甩，不再創(chuàng)建一個(gè)同樣的內(nèi)存映像

一些時(shí)候稱(chēng)為輕量級(jí)fork()

子進(jìn)程應(yīng)該幾乎立即調(diào)用exec()

現(xiàn)在使用Copy on Write ?(COW)技術(shù)

■父進(jìn)程終止其子進(jìn)程的原因有很多

子進(jìn)程使用了超過(guò)它所分配到的一些資源冗锁。(為判定是否發(fā)生這種情況，要求父進(jìn)程有一個(gè)檢查其子進(jìn)程狀態(tài)的機(jī)制嗤栓。)

分配給子進(jìn)程的任務(wù)已不再需要

父進(jìn)程退出冻河，如果父進(jìn)程終止，那么操作系統(tǒng)不允許子進(jìn)程繼續(xù)。

精髓：創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程芋绸，一般步驟：

1)給新進(jìn)程分配一個(gè)唯一的進(jìn)程標(biāo)識(shí)符媒殉。此時(shí)，在主進(jìn)程表中增加一個(gè)新表項(xiàng)摔敛，表中的每個(gè)新表項(xiàng)對(duì)應(yīng)著一個(gè)進(jìn)程廷蓉。

2)給進(jìn)程分配空間。這包括進(jìn)程映像中的所有元素马昙。因此桃犬，操作系統(tǒng)必須知道私有用戶(hù)地址空間(程序和數(shù)據(jù))和用戶(hù)棧需要多少空間⌒欣悖可以根據(jù)進(jìn)程的類(lèi)型使用默認(rèn)值攒暇，也可以在作業(yè)創(chuàng)建時(shí)根據(jù)用戶(hù)請(qǐng)求設(shè)置。如果一個(gè)進(jìn)程是由另一個(gè)進(jìn)程生成的子房，則父進(jìn)程可以把所需的值作為進(jìn)程創(chuàng)建請(qǐng)求的一部分傳遞給操作系統(tǒng)形用。如果任何現(xiàn)有的地址空間被這個(gè)新進(jìn)程共享，則必須建立正確的連接证杭。最后田度，必須給進(jìn)程控制塊分配空間。

3)初始化進(jìn)程控制塊解愤。進(jìn)程標(biāo)識(shí)符部分包括進(jìn)程ID和其他相關(guān)的ID镇饺，如父進(jìn)程的ID等;處理器狀態(tài)信息部分的大多數(shù)項(xiàng)目通常初始化成0，除了程序計(jì)數(shù)器(被置為程序人口點(diǎn))和系統(tǒng)棧指針(用來(lái)定義進(jìn)程棧邊界);進(jìn)程控制信息部分的初始化基于標(biāo)準(zhǔn)默認(rèn)值和為該進(jìn)程所請(qǐng)求的屬性送讲。例如奸笤，進(jìn)程狀態(tài)在典型情況下被初始化成就緒或就緒/掛起;除非顯式地請(qǐng)求更高的優(yōu)先級(jí)，否則優(yōu)先級(jí)的默認(rèn)值為最低優(yōu)先級(jí);除非顯式地請(qǐng)求或從父進(jìn)程處繼承哼鬓，否則進(jìn)程最初不擁有任何資源( I/O設(shè)備监右、文件)。

4)設(shè)置正確的連接魄宏。例如秸侣，如果操作系統(tǒng)把每個(gè)調(diào)度隊(duì)列都保存成鏈表，則新進(jìn)程必須放置在就緒或就緒/掛起鏈表中宠互。

5)創(chuàng)建或擴(kuò)充其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)味榛。例如，操作系統(tǒng)可能為每個(gè)進(jìn)程保存著一個(gè)記賬文件予跌，可用于編制賬單和/或進(jìn)行性能評(píng)估搏色。

12.3程序加載和執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用exec()

程序加載和執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用exec()

■允許進(jìn)程“加載”一個(gè)完全不同的程序，并從main開(kāi)始執(zhí)行(即_start)

■允許進(jìn)程加載時(shí)指定啟動(dòng)參數(shù)(argc, argv)

■exec調(diào)用成功時(shí)

它是相同的進(jìn)程…

但是運(yùn)行了不同的程序

■代碼段券册、堆棧和堆(heap)等完全重寫(xiě)

12.4進(jìn)程等待與退出

父進(jìn)程等待子進(jìn)程

■wait()系統(tǒng)調(diào)用用于父進(jìn)程等待子進(jìn)程的結(jié)束

子進(jìn)程結(jié)束時(shí)通過(guò)exit()向父進(jìn)程返回一個(gè)值

父進(jìn)程通過(guò)wait()接受并處理返回值

■wait()系統(tǒng)調(diào)用的功能

有子進(jìn)程存活時(shí)频轿，父進(jìn)程進(jìn)入等待狀態(tài)垂涯，等待子進(jìn)程的返回結(jié)果

當(dāng)某子進(jìn)程調(diào)用exit()時(shí),喚醒父進(jìn)程，將exit()返回值作為父進(jìn)程中wait的返回值

有僵尸子進(jìn)程等待時(shí)航邢，wait()立即返回其中一個(gè)值

無(wú)子進(jìn)程存活時(shí)耕赘，wait()立刻返回

進(jìn)程的有序終止exit()

■進(jìn)程結(jié)束執(zhí)行時(shí)調(diào)用exit()，完成進(jìn)程資源回收

■exit()系統(tǒng)調(diào)用的功能

將調(diào)用參數(shù)作為進(jìn)程的“結(jié)果”

關(guān)閉所有打開(kāi)的文件等占用資源

釋放內(nèi)存

釋放大部分進(jìn)程相關(guān)的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

檢查是否父進(jìn)程是存活著的

如存活膳殷，保留結(jié)果的值直到父進(jìn)程需要它操骡，進(jìn)入僵尸（zombie/defunct）狀態(tài)，等待父進(jìn)程處理

如果沒(méi)有赚窃，它釋放所有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)册招，進(jìn)程結(jié)果（孤兒進(jìn)程）

清理所有等待的僵尸進(jìn)程

■進(jìn)程終止是最終的垃圾收集(資源回收)

其他進(jìn)程控制系統(tǒng)調(diào)用

■優(yōu)先級(jí)控制

nice()指定進(jìn)程的初始優(yōu)先級(jí)

Unix系統(tǒng)中進(jìn)程優(yōu)先級(jí)會(huì)隨執(zhí)行時(shí)間而衰減

■進(jìn)程調(diào)試支持

ptrace()允許一個(gè)進(jìn)程控制另一個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行

設(shè)置斷點(diǎn)和查看寄存器等

■定時(shí)

sleep()可以讓進(jìn)程在定時(shí)器的等待隊(duì)列中等待指定

進(jìn)程控制v.s.進(jìn)程狀態(tài)