Unix/Linux系统编程自学笔记-第三章:Unix/Linux进程管理

1、概念介绍

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。
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。

PROC的定义：

typedef struct proc{
struct proc *next;

int *ksp;

int pid;

int ppid;

int status;

int priority;

int kstack[1024];

}PROC;

next: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—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。这种逻辑并行忡称为 “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。

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;

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

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");
}

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

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。
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。
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：

1、正常终止：调用结束函数exit(value)进行终止，由进程自身操作。

2、异常终止：进程因为某个信号而异常终止，最终会调用kexit()。

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

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。
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。
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。
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

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
重定向标准输入/输出
- 重定向标准输入
- 重定向标准输出

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。

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。
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。