第三章
3.1~3.2多任务处理与进程
- 多任务处理：
多任务处理指的是机器同时进行几项独立活动的能力。在计算机技术中，多任 务处理是通过在不同任务之间切换实现的。虽然在一个时间点，CPU只能执行一个任务，但是通过快速的切换，就会给人一种同时执行所有任务的错觉。这种逻辑并行性就叫做“并发”。
- 进程：
操作系统中，任务也称为进程，执行映像定义为包含代码、数据和堆栈的存储区，那么进程就是对映像的执行。
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。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。
3.3多任务处理系统
多任务处理系统，简称MT（Multi Task）。
可以用多个代码文件来描述MT原理。
- type.h文件
type.h文件定义了系统常熟和表示进程的简单PROC结构体.
#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;- 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
.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- queue.c文件
queue.c文件可实现队列和链表操作函数。
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
- 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。
- 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
然后运行a.out.整个MT系统在用户模式下作为Linux进程进行。在Linux进程中，我们创建了多个独立执行实体（叫作任务），并通过我们自己的调度算法将它们调度到Linux进程中运行。
(2) init():当MT系统启动时，main()函数调用init()以初始化系统。Init()初始化PROC结构体，并将它们输入freeList中。它还将readyQueue初始化为空。
(3) P0调用kfork()来创建优先级为的子进程P1，并将其输入就绪队列中。然后P0调用tswitch()，将会切换任务以运行P1.
(4) tswitch():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tswitch()中的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：当执行从scheduler()返回时，“运行”可能已经转而指向另一个任务的PROC。
(8) Kfork():kfork()函数创建一个子任务并将其输入readyQueue中。
(9) body():为便于演示，所有创建的任务都执行同一个body()函数。
(10) 空闲任务P0：P0的特殊之处在于它在所有任务中具有最低的优先级。
(11) 运行多任务处理（MT）系统：在Linux下，输入gcc -m32 t.c s.s 编译链接MT系统并运行所得到的a.out。
3.4进程同步
3.4.1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入来输入字符等，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。
3.4.2唤醒操作
多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。
3.5进程终止
在操作系统中，进程可能终止或死亡，这是进程终止的通俗说法。如第二章所述，进程能以两种方式终止：
- 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),这都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。
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()。
3.7Unix/Linux中的进程
进程的执行模式
1.中断：中断是外部设备发送给 CPU的信号，请求CPU服务。
2.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。
3.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");
3.8进程管理的系统调用
3.9I/O重定向
1.文件流和文件描述符
如前所述，sh进程有三个用于终端I/O的文件流：stdin(标准输入)、stdout(标准输出)和stderr(标准错误)。每个流都是指向执行映像堆区中FILE结构体的一个指针。每个文件流对应Linux内核中的一个打开文件。每个打开文件都用一个文件描述符（数字）表示。
2.文件流I/O和系统调用
当进程执行库函数
scanf("%s",&item);
它会试图从stdin文件输入一个（字符串）项，指向FILE结构体。
3.重定向标准输入
如果我们用一个新打开的文件来替换文件描述符0，那么输入来自该文件而不是原始输入设备。
4，重定向标准输出
3.10管道
管道是用于进程交换数据的单向进程间通信的通道。管道有一个输入端、一个输出端。在之前我们使用man -k | grep xx时，就用到管道的功能。
管道的使用可以通过程序完成，也可以在命令行中处理完成。
