第6章進程與存儲管理示例

1、第6章 進程與存儲管理示例nLinux進程和存儲管理簡介nLinux進程結(jié)構(gòu)nLinux進程控制nLinux進程調(diào)度n進程通信nLinux存儲管理第6章 進程與存儲管理示例6.1 Linux進程和存儲管理簡介nLinux系統(tǒng)的核心部分，從整體上分兩大部分：“靜”的文件系統(tǒng)“動”的進程控制系統(tǒng)兩者之間通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)調(diào)用相互作用nLinux將一個程序看作是一個可執(zhí)行文件，而把一個進程看作是程序的執(zhí)行或執(zhí)行中的程序?qū)嵗?.1 Linux進程和存儲管理簡介nLinux系統(tǒng)的啟動系統(tǒng)自舉，并初始化各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與表格、初始化Linux核心的各個子系統(tǒng)等建立0#進程或idle進程唯一一個靜態(tài)建立的進程建

2、立控制終端進程及運行shell進程的init進程(也稱為1#進程)不同終端創(chuàng)建相應(yīng)的終端管理進程和shell進程在建立shell進程之后，出現(xiàn)相應(yīng)的提示符，等待用戶輸入命令圖6.1 Linux系統(tǒng)中各進程的關(guān)系6.1 Linux進程和存儲管理簡介nLinux系統(tǒng)中各進程的關(guān)系0#進程或idle進程祖先進程1#進程或init進程終端管理進程與shell進程的父進程用戶進程由Shell進程創(chuàng)建，是Shell進程的子孫進程6.1 Linux進程和存儲管理簡介n0#進程運行在核心態(tài)，而init進程以及由init進程衍生的其他進程都可以在用戶態(tài)和核心態(tài)下執(zhí)行n用戶態(tài)與核心態(tài)的區(qū)別用戶態(tài)下的進程只能存取它

3、們自己的指令與數(shù)據(jù)，而核心態(tài)下的進程可以存取核心和用戶地址在不同的執(zhí)行模式下，同一進程使用不同的堆棧，分別稱為核心態(tài)堆棧與用戶態(tài)堆棧。6.1 Linux進程和存儲管理簡介n核心線程：只在核心態(tài)下執(zhí)行的進程核心線程有：0#進程、kblockd、ksoftirqd、kswapd等等，常用于處理一些周期性事務(wù)圖6.2 Linux進程的核心態(tài)與用戶態(tài)之間的轉(zhuǎn)換6.1 Linux進程和存儲管理簡介nLinux的進程控制系統(tǒng)在邏輯上有4個模塊與文件系統(tǒng)的接口部分進程本身的控制部分進程間的控制部分存儲管理部分6.1 Linux進程和存儲管理簡介nLinux調(diào)度模塊調(diào)度原則：搶占式、動態(tài)優(yōu)先級調(diào)度法調(diào)度過程s

4、chedule()和時鐘中斷修改進程的動態(tài)優(yōu)先級6.1 Linux進程和存儲管理簡介nLinux中引起進程調(diào)度的情況當前執(zhí)行進程申請資源未得到滿足，自己調(diào)用sleep過程，放棄CPU，進入睡眠狀態(tài)為了與其他進程保持同步，調(diào)用wait過程，主動放棄CPU，進入睡眠狀態(tài)時間片用完，或某個更高優(yōu)先級進程被喚醒，系統(tǒng)設(shè)置need_resched調(diào)度標志。當系統(tǒng)在核心態(tài)下的程序執(zhí)行完畢，由核心態(tài)轉(zhuǎn)入用戶態(tài)時，即在中斷陷入總控處理程序結(jié)束之前的瞬間，檢查need_resched標志并進行調(diào)度當前進程調(diào)用exit，自我終止時6.1 Linux進程和存儲管理簡介nLinux進程通信包括：用于控制各并發(fā)進程執(zhí)行

5、速度和資源共享與競爭的低級通信，以及進程間大量傳遞信息的高級通信同步機制n在核心態(tài)下執(zhí)行時，系統(tǒng)進程使用：信號量、自旋鎖、關(guān)閉中斷、使用原子操作等n在用戶態(tài)下執(zhí)行時，用戶進程使用：軟中斷信號、管道、調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用wait或sleep使得當前執(zhí)行進程進入等待狀態(tài)6.1 Linux進程和存儲管理簡介nLinux存儲管理模塊控制存儲分配管理進程在內(nèi)存和外存之間的信息轉(zhuǎn)移，以便所有進程都得到公平執(zhí)行的機會6.2 Linux進程結(jié)構(gòu)n進程的概念n進程的虛擬地址結(jié)構(gòu)n進程上下文n進程的狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換6.2 Linux進程結(jié)構(gòu)n介紹Linux進程的靜態(tài)構(gòu)成，定義進程上下文及其狀態(tài)轉(zhuǎn)換6.2.1 進程的概念進程

6、的含義與特性進程控制塊：Linux的task_struct結(jié)構(gòu)n標識進程狀態(tài)用的狀態(tài)位：5個狀態(tài)編碼n進程標識符n描述進程家族關(guān)系、組成成員的指針n6.2 Linux進程結(jié)構(gòu)6.2.2 進程的虛擬地址結(jié)構(gòu)Linux進程的虛擬地址結(jié)構(gòu)依賴于硬件在Intel 80 x86中，每個進程擁有一個4GB的虛擬空間。其中：n03GB的地址空間由用戶進程使用，可以對其直接訪問； n34GB的地址空間稱為核心地址空間，在所有的進程中共享，存放核心的正文和數(shù)據(jù)，只被核心使用，用戶進程不能直接訪問6.2.2 進程的虛擬地址結(jié)構(gòu)nLinux將用戶進程的所有地址空間有關(guān)的信息保存在mm_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，該結(jié)構(gòu)

7、的指針保存進程描述符中nLinux的進程由邏輯段組成，而這些邏輯段則存放在若干個虛擬區(qū)域中。正文、數(shù)據(jù)和棧分別存放于各自的區(qū)中。nLinux的區(qū)類似于段頁式管理中的段，但區(qū)的虛擬地址是一維的6.2.2 進程的虛擬地址結(jié)構(gòu)n虛擬區(qū)域的管理名稱：區(qū)命名為vm_area，簡寫為VMA管理：n每個區(qū)對應(yīng)一個vm_area_strct結(jié)構(gòu)n創(chuàng)建新進程時，核心將從父進程復(fù)制相應(yīng)的表項給所創(chuàng)建的進程n使用平衡AVL二叉樹來組織和管理區(qū)域n對于用戶進程，通過系統(tǒng)調(diào)用mmap( )創(chuàng)建一個虛擬區(qū)域，通過系統(tǒng)調(diào)用munmap( )釋放虛擬區(qū)域6.2.3 進程上下文n進程上下文的基本結(jié)構(gòu)核心態(tài)棧：裝進程調(diào)用核心函數(shù)

8、時用到的有關(guān)參數(shù)等用戶態(tài)棧：在用戶態(tài)下執(zhí)行時函數(shù)調(diào)用的參數(shù)、局部變量及其他數(shù)據(jù)圖6.3 進程空間結(jié)構(gòu)圖6.4 執(zhí)行copy程序時用戶棧和核心棧的變化6.2.3 進程上下文n進程上下文的組成部分task_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用戶棧和核心棧的內(nèi)容用戶地址空間的正文段、數(shù)據(jù)段硬件寄存器頁表6.2.4 進程的狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換nLinux的5個進程狀態(tài)TASK_RUNNING：進程處于執(zhí)行或就緒狀態(tài)TASK_INTERRUPTIBLE：進程正在睡眠，但可以被軟中斷信號喚醒TASK_UNINTERRUPTIBLE：進程正在睡眠，且不可以被軟中斷信號喚醒TASK_STOPPED：暫停，當一個進程SIGSTOP

9、、SIGSTP、SIGTTIN、SIGTTOU軟中斷信號后進入暫停狀態(tài)TASK_ZOMBIE：進程執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用exit后，進入僵死狀態(tài)6.2.4 進程的狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖6.5 進程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖6.2.5 小結(jié)n進程上下文是進程的靜態(tài)描述進程描述符task_struct結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)感知進程存在的唯一實體。 task_struct結(jié)構(gòu)包含了進程調(diào)度和運行所需要的大量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且常住內(nèi)存正文段和數(shù)據(jù)段是進程完成所要求任務(wù)的關(guān)鍵部分寄存器和頁表等都是為正文段順利執(zhí)行而用來存放中間結(jié)果、傳遞參數(shù)、或區(qū)別控制CPU的訪問模式和完成地址變換等功能的n進程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換6.3 進程控制nLinux啟動及進程樹的形成

10、n進程控制6.3 進程控制6.3.1 Linux啟動及進程樹的形成Linux啟動，系統(tǒng)建立0#進程或idle進程0#進程將根文件系統(tǒng)安裝到根“/”下，創(chuàng)建新進程1#進程 (也稱為init進程)init進程負責初始化所有新的用戶進程init進程調(diào)用exec執(zhí)行程序“/sbin/init”后，為每個終端生成一個子進程，然后等待用戶在終端上注冊用戶在終端輸入命令，每個命令都對應(yīng)一個可執(zhí)行文件圖6.6 進程樹的形成6.3.2 進程控制n進程創(chuàng)建fork()、執(zhí)行exec()和自我終止exit()n創(chuàng)建進程fork()功能：創(chuàng)建一個子進程。調(diào)用fork的進程稱為父進程格式：pid= fork();從系統(tǒng)

11、調(diào)用fork返回時，父進程和子進程除了返回值pid與task_struct結(jié)構(gòu)中某些特性參數(shù)不同之外，其他完全相同。CPU在父進程中時，pid值為所創(chuàng)建子進程的進程號，若在子進程時， pid值為零。6.3.2 進程控制n系統(tǒng)調(diào)用fork通過執(zhí)行核心程序fork完成的功能：為子進程分配一個進程描述符task_struct結(jié)構(gòu)為子進程分配一個唯一的進程標識符pid將父進程的地址空間的邏輯副本復(fù)制到子進程復(fù)制父進程相關(guān)聯(lián)的有關(guān)文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和用戶文件描述符表復(fù)制軟中斷信號有關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)置子進程的狀態(tài)為TASK_RUNNING，加入就緒隊列，并啟動調(diào)度程序?qū)Ω高M程返回子進程的進程標識符，對子進程

12、返回零圖6.7 fork流程圖6.3.2 進程控制n執(zhí)行一個文件的調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用exec()引出另一個程序，它用一個可執(zhí)行文件的副本覆蓋調(diào)用進程的正文段和數(shù)據(jù)段，并以調(diào)用進程提供的參數(shù)轉(zhuǎn)去執(zhí)行這個新的正文段程序系統(tǒng)調(diào)用exec()包含六種不同的調(diào)用格式，但完成同一工作，主要是參數(shù)處理方法不同。常用調(diào)用格式： execvp( filename, argp); 或 excelp( filename,arg0,arg1,(char *)0);例如，用excelp調(diào)用實現(xiàn)一個shell的基本處理過程n用戶輸入命令后，按以下步驟執(zhí)行用戶命令：用fork，創(chuàng)建子進程用exec，啟動命令程序用wait，父進程

13、和子進程同步圖6.8 shell 執(zhí)行過程用C語言實現(xiàn)的程序shell程序的實現(xiàn)6.3.2 進程控制n進程的終止系統(tǒng)調(diào)用exit(rv)：自我終止當前進程，使其進入ZOMBIE僵死狀態(tài)，等待父進程進行善后處理exit調(diào)用將導(dǎo)致釋放除task_struct結(jié)構(gòu)之外的所有資源，并清除進程上下文父進程收到子進程的信息rv和有關(guān)子進程的時間信息后，將釋放子進程的task_struct結(jié)構(gòu)，并將有關(guān)的時間信息加到自己的task_struct結(jié)構(gòu)的有關(guān)項中6.4 Linux進程調(diào)度n調(diào)度原理n調(diào)度的時機n調(diào)度標識的設(shè)置n調(diào)度策略與優(yōu)先數(shù)的計算n調(diào)度的實現(xiàn)6.4 Linux進程調(diào)度nLinux系統(tǒng)的進程調(diào)度

14、由核心的調(diào)度過程schedule()實現(xiàn)n調(diào)度原理Linux系統(tǒng)對實時進程和普通進程采用不同的調(diào)度算法普通進程：基于時間片的動態(tài)優(yōu)先數(shù)調(diào)度法6.4 Linux進程調(diào)度n調(diào)度時機在Linux系統(tǒng)中，為了減少操作系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性和提高系統(tǒng)執(zhí)行效率，只在核心的幾個預(yù)定的位置進行調(diào)度n當進程狀態(tài)發(fā)生變化，自動放棄處理機時，主動轉(zhuǎn)入調(diào)度過程進行調(diào)度。例如，調(diào)用sleep()或wait()或exit()放棄處理機n當處理機從核心態(tài)向用戶態(tài)轉(zhuǎn)換時，系統(tǒng)設(shè)置了高優(yōu)先級就緒進程的強迫調(diào)度標志need_resched時，則發(fā)生調(diào)度6.4 Linux進程調(diào)度n調(diào)度標識的設(shè)置Linux只使用一個調(diào)度標志need_re

15、sched，該標志保存在進程描述符中調(diào)度標志need_resched在以下兩種情況被設(shè)置為1n當處于運行態(tài)的進程的時間片耗盡時n當進程被喚醒，而它的優(yōu)先級比正在運行的當前進程的優(yōu)先級高時6.4 Linux進程調(diào)度n調(diào)度策略與優(yōu)先數(shù)的計算Linux將進程分為普通進程和實時進程，實時進程的調(diào)度優(yōu)先級比普通進程高， Linux總是優(yōu)先調(diào)度實時進程Linux使用三種調(diào)度策略n動態(tài)優(yōu)先數(shù)調(diào)度SCHED_OTHER：用于普通進程n先來先服務(wù)調(diào)度SCHED_FIFO：用于實時進程n輪轉(zhuǎn)法調(diào)度SCHED_RR：用于實時進程6.4 Linux進程調(diào)度n調(diào)度策略與優(yōu)先數(shù)的計算進程可以通過scehed_setsch

16、eduler( )系統(tǒng)調(diào)用選擇適合自己的調(diào)度策略。如果選擇了實時調(diào)度，則該進程就轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€實施進程進程的調(diào)度策略保存在進程描述符中，并被子進程所繼承，因此實時進程的子進程仍然是一個實時進程6.4 Linux進程調(diào)度n調(diào)度的實現(xiàn)進程調(diào)度由scehedule( )過程實現(xiàn)，執(zhí)行過程n進程選擇：按照調(diào)度策略來找到合適的進程n進程切換：主要完成進程的上下文切換，其中用戶進程的地址空間切換由switch_mm()完成，進程的堆棧切換過程由switch_to()實現(xiàn)6.5 進程通信nLinux的進程通信分三部分低級通信管道通信進程間的通信IPCnLinux同時支持網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議TCP/IP6.5.1 Lin

17、ux的低級通信nLinux低級通信主要用來傳遞進程間的控制信號。主要方式：軟中斷信號機制：通知對方發(fā)生了異步事件n系統(tǒng)調(diào)用kill(pid,sig)：向進程pid發(fā)送軟中斷信號sign系統(tǒng)調(diào)用signal(sig,func)：收到信號sig后，執(zhí)行預(yù)先預(yù)定的動作func文件鎖庫函數(shù)lockf：實現(xiàn)互斥實現(xiàn)同步的系統(tǒng)調(diào)用nwait()：用于父子進程之間的同步nsleep(n)：當前進程睡眠秒后自動喚醒自己軟中斷信號nLinux有30個軟中斷信號和31個實時軟中斷信號n軟中斷信號的作用見圖6.10n實時軟中斷信號：其編號從3263，它們沒有預(yù)先定義的含義，與普通軟中斷信號的區(qū)別在于：實時信號可以排

18、隊而不會發(fā)生丟失的現(xiàn)象圖6.10 Linux軟中斷信號軟中斷信號n軟中斷是對硬中斷的模擬發(fā)送軟中斷：向接收進程的task_struct結(jié)構(gòu)中的相應(yīng)項發(fā)送圖6.10中的一個信號接收進程：收到軟中斷信號后，將按照預(yù)先規(guī)定去執(zhí)行一個軟中斷處理程序。但是，軟中斷處理程序不像硬中斷處理程序，收到中斷信號后立即被啟動，它必須等待接收進程執(zhí)行時才能生效。另外，一個進程自己也可以向自己發(fā)送軟中斷信號，以便在描寫意外情況下，進程能轉(zhuǎn)入規(guī)定好的處理程序。文件鎖庫函數(shù)lockf實現(xiàn)互斥nlockf：通過fctnl系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)格式：lockf(fd,function,size)fd是被鎖定文件標識function是控制值nF_LOCK：鎖定一個文件段nF_UNLOCK：不再鎖定nF_TLOCK：測試和鎖定一個文件段nF_TEST：測試待鎖定的程序段是否已被其他進程鎖定size表示自fd文件的當前位置開始處理size個相連字節(jié)6.5.2 進程間通信IPCn自學