第三章處理程序的說明和控制Process Description and Control

第三章處理程序的說明及控制

Process

Description

and

Control1z

所有多重程式(multi-programmed)作業(yè)系統(tǒng)都建立在

process的概念z

大部分作業(yè)系統(tǒng)需滿足的需求y交錯多個process的執(zhí)行，在理想反應(yīng)時間下達(dá)到最大的處理器使用率。y

遵從特定的政策(例如，高優(yōu)先權(quán))來配置資源給process，且避免死結(jié)的發(fā)生。y

支援process間的相互通訊(inter-process

communication)、使用者

process的建立。z

從了解process的表示與控制，開始學(xué)習(xí)作業(yè)系統(tǒng)!3.1處理程序的狀態(tài)2z

從處理器的觀點(diǎn)看process交錯執(zhí)行y

處理器藉由改變程式計數(shù)器(Program

Counter,PC)的數(shù)值，依序執(zhí)行指令。y

追蹤process的軌跡(trace)：列出每個process執(zhí)行指令的順序。處理程序A,B,C的軌跡(c)5000800012000500180011200150028002120025003800312003500412004500512005500612006500712007500812008500912009501012010Figure

3.1

Snapshot

of501112011ExampleExecution(a)(b)3(Figure

3.3)

atInstruction

Cycle

13所有處理程序結(jié)合的軌跡500050015002500350045005時間到10010110210310410580008001z

8002z8003zI/O請求z100z101z102z103z104z105z12000z12001z12002z12003z12004z12005z

時間到z100z101z102z103z104z105z5006z5007z5008z5009z5010z5011z時間到z100Figure

3.3

Combined

Tracez

o10f1

Processes

of

Figu4re

3z102z103z104z105z12006z12007z12008z12009z12010z12011z時間到雙狀態(tài)(two-state)處理程序模型z

Process的兩種狀態(tài)y

執(zhí)行(Running)y

未執(zhí)行(Not

Running)z中斷的process被移等待佇列中。z分派程式由佇列中選擇一個process執(zhí)行：。至。5建立處理程序的原因6z

新的批次工作：讀入下一個工作控制命令(Job

ControlCommand)。z

互動式登入：使用者在終端機(jī)登入到系統(tǒng)。z

被作業(yè)系統(tǒng)建立來提供服務(wù)：產(chǎn)生新process以進(jìn)行特定功能，避免使用者等待。z

由現(xiàn)有的process產(chǎn)生：為了模組化或平行處理，使用者程式可建立其他process。y

Process產(chǎn)生另一Process時，彼此為親子關(guān)係(Parent

and

Child)。處理程序終止的原因7z

正常完成(Normal

completion)y

批次工作下達(dá)停止(Halt)指令或系統(tǒng)呼叫。y

使用者登出。y

Process發(fā)出終止執(zhí)行的請求。z

執(zhí)行時發(fā)生錯誤：y

超過時間限制(Time

limit

exceeded)、記憶體不足(Memoryunavailable)、違反記憶體邊界(Memory

bounds

violation)y

保護(hù)錯誤(Protection

error)：write

to

read-only

filey

算術(shù)錯誤(Arithmetic

error)：除以0，或超出最大值。y

時間超過(Time

overrun)：process

waited

longer

than

a

specifiedmaximum

for

an

eventy

管理者或作業(yè)系統(tǒng)介入(如發(fā)生deadlock)、輸出入失敗(I/O

failure)不合法指令(Invalid

instruction)、特權(quán)指令(Privileged

instructi資料誤用、parent

process要求、parent

process終止。五狀態(tài)(five-state)處理程序模型8z

雙狀態(tài)模型不完備之處y

未執(zhí)行狀態(tài)的process有兩種情形：(1)可以執(zhí)行；(2)等待I/O動作的完成而被懸置(blocked)。y

分派程式必須掃描整個佇列，找出未被懸置且等待最久的process。z

擴(kuò)充雙狀態(tài)模型成為五種狀態(tài)y

執(zhí)行中(Running)y

未執(zhí)行狀態(tài)再區(qū)分為：備妥(Ready)；懸置(Blocked)y

另為方便管理process，新增二種狀態(tài)：y

新建(New)：剛被系統(tǒng)建立，尚未允許進(jìn)入執(zhí)行區(qū)。(尚未載入主記憶體，僅建立表格)y

離開(Exit)：因停止或取消，被系統(tǒng)由執(zhí)行區(qū)離開。(釋放佔(zhàn)用的主記憶體，但保留相關(guān)表格)五狀態(tài)處理程序模型(續(xù))9Figure

3.6

ProcessStates

for

Trace

of

Figure

3.310z圖3.7(a)有兩個佇列：備妥佇列與懸置佇列z圖3.7(b)對每一事件分別有一佇列Figure

3.7

QueuingModel

of

Figure3.511置換的需要The

need

for

swapping12z

在未使用虛擬記憶體的系統(tǒng)，每個process必須完全地載入記憶體中才能執(zhí)行。z

由於處理器比I/O動作快太多，即使在多工環(huán)境下，處理器大部分時間仍處於閒置狀態(tài)。z

解決方法：容納更多的processy

擴(kuò)充主記憶體：如此會增加成本。y置換(swapping)：將process的部分或全部由主記憶體移至磁碟上，本身也是I/O動作。z

使用置換，需增加新的狀態(tài)：暫停(suspend)y

當(dāng)所有主記憶體中的process都處於懸置狀態(tài)時，系統(tǒng)可將某個

process暫停，?置換至磁碟，其所佔(zhàn)據(jù)的主記憶體空間就可釋放出來給其他process使用。z

置換之後，選擇載入process的方法y

容許新process的產(chǎn)生。問題：將增加系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。y

載入一處於暫停狀態(tài)的process。問題：所有暫停process都是被懸置的process，即使載入也仍無法執(zhí)行。13單一暫停狀態(tài)雙暫停狀態(tài)14z

有兩個獨(dú)立的概念：y

是否等待事件(懸置)、是否被置換

(暫停)z

2

*

2組合：共四種狀態(tài)：y

(1)備妥；(2)懸置；(3)懸置，暫停；(4)備妥，暫停。暫停的其他使用15z

暫停process的概念y

Process無法立即被執(zhí)行。y

Process可能在等待某個事件。y

Process可被其他process或作業(yè)系統(tǒng)置於暫停狀態(tài)。y

Process不能離開這個狀態(tài)，直到讓它陷入暫停狀態(tài)的人解除為止。z

process暫停的原因y

置換：作業(yè)系統(tǒng)必須釋出主記憶體空間，以容許載入其他process。y

其他作業(yè)系統(tǒng)理由：作業(yè)系統(tǒng)可能會暫停背景、工具或產(chǎn)生問題的process。y

互動使用者要求：使用者希望暫停某一process。y

時間：如週期性執(zhí)行的process。y

parent

process要求。3.2處理程序描述Process

Descriptionz

作業(yè)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)y作業(yè)系統(tǒng)要管理process與資源，必須擁有各process與資源目前狀態(tài)的資訊。y最簡單的方法：作業(yè)系統(tǒng)建立?維護(hù)所管理實(shí)體的資訊表格，包括：記憶體、輸出入(I/O)、檔案、Process。Figure

3.9Processes

and

Resources

(resourceallocation

at

one

snapshot

in

time)16Figure

3.10

General

Structureof

Operating

System

ControlTables17Process的控制結(jié)構(gòu)18z

Process的位置y

影像(image)：即Process的構(gòu)成，包含：程式、資料、堆疊與屬性。

y

Process的image的位置:y

(a)連續(xù)的記憶體區(qū)塊;或y

(b)一系列不一定連續(xù)的區(qū)塊。區(qū)塊可為不同長度(區(qū)段,Segment)，或使用固定長度(頁,page)，或二者結(jié)合。z

Process的屬性y

Process控制區(qū)塊(Process

Control

Block)：所有屬性的集合。Process控制區(qū)塊19zProcess識別資訊(identification

information)：該proce別碼、parent

process的識別碼、使用者識別碼z

Process狀態(tài)資訊(state

information)：y

使用者可見暫存器；y

控制與狀態(tài)暫存器：Program

Counter,Program

Status

Word,…y

堆疊指標(biāo)。z

Process控制資訊(control

information)：y

優(yōu)先權(quán)、排班相關(guān)資訊、y

事件、結(jié)構(gòu)資訊(process間的資料結(jié)構(gòu)鏈結(jié))、y

process間通訊(inter-process

communication)、process的權(quán)限、

y

記憶體管理、資源所有權(quán)與使用率。處理程序的屬性-Pentium

EFLAGS暫存器z

控制位元：y

ID識別碼：是否支援CPUID指令，該指令提供製造商、型號資訊。y

RF：繼續(xù)旗標(biāo)(Resume

flag)。y

IOPL：輸出入特權(quán)層級(I/O

privilege

level)y

IF：中斷致能旗標(biāo)(Interrupt

enable

flag)。y

TF：陷阱旗標(biāo)(Trap

flag)，使所有指令的執(zhí)行產(chǎn)生中斷，以用來偵錯。z

運(yùn)作模式位元y

VM：虛擬8086模式(Virtual

8086

mode)。y

VIF(Virtual

interrupt

flag)：用於虛擬8086模式，取代中斷致能旗標(biāo)(IF)z

狀況代碼y

CF：進(jìn)位旗標(biāo)(Carry

flag)。20Figure

3.12

User

Processes

in

Virtual

Memory21Figure

3.13

Process

List

Structures223.3處理程序控制23z

大部分處理器支援至少兩種執(zhí)行模式y(tǒng)

較低特權(quán)的模式：稱使用者模式(user

mode)。y

較高特權(quán)的模式：稱系統(tǒng)模式(system

mode)、控制模式(controlmode)、或核心模式(kernel

mode)。y

理由：作業(yè)系統(tǒng)本身及其表格有保護(hù)的必要。z

執(zhí)行模式的區(qū)別及改變y

程式狀態(tài)字組(Program

Status

Word,PSW)有一位元表示執(zhí)行模式。y

VAX的改變模式指令(CHM)：使用者呼叫系統(tǒng)服務(wù)，或發(fā)生中斷控制轉(zhuǎn)移至系統(tǒng)常式時，常式就執(zhí)行CHM指令﹔返回控制權(quán)給使用者process前，再執(zhí)行一次CHM進(jìn)入較低特權(quán)模式。z

Process的建立y

配置一process識別碼，在process表格中加入一新項(xiàng)目。y

分配空間，包含process影像(image)的所有元素。y

Process控制區(qū)塊(Process

Control

Block)的初始化。y

設(shè)定Process的鏈結(jié)、各種Process佇列、其他資料結(jié)構(gòu)。處理程序切換(process

switch)24z

何時process切換？作業(yè)系統(tǒng)取得控制權(quán)的事件：y

中斷(Interrupt)：由外部發(fā)出，例如：I/O動作完成。時鐘中斷

(Timer

Interrupt)，輸出入中斷(I/O

Interrupt)，記憶體錯誤。y

陷阱(Trap)：與目前執(zhí)行的指令相關(guān)，例如：非法存取檔案。Anerror

resulted

from

the

last

instruction.

It

may

cause

the

processmoved

to

the

Exit

state.y

監(jiān)督者呼叫(Supervisor

Call)：程式明確要求，例如：開啟檔案。

explicit

request

by

the

program(ex:file

open).The

process

willprobably

be

blocked.z

中斷週期的模式切換(Mode

Switch)y

儲存目前執(zhí)行中程式的序文(context)：PSW,PC,其他暫存器、堆疊。y

將程式計數(shù)器(PC)設(shè)至中斷處理器的位址。y

由使用者模式切換至核心模式，讓中斷處理程式可執(zhí)行特權(quán)指令。處理程序切換(Process

Switch)(續(xù))25z

模式切換(mode

switching)vs.處理程序切換(processswitching)y

(也有稱context

switch,但容易與thread切換混淆)

y

模式切換不會改變process從執(zhí)行狀態(tài)至另一狀態(tài)。y在此情況下，序文(context)的儲存及之後的回存，額外的負(fù)擔(dān)較少。y

但執(zhí)行中的Process被移至其他狀態(tài)，則必須做完整的process切換。z

Process切換的步驟：y

儲存處理器的序文，包括：程式計數(shù)器與其他暫存器。y

更新Process控制區(qū)塊：改變Process執(zhí)行狀態(tài)至另一狀態(tài)。將

Process移至適當(dāng)?shù)膩辛?。y選擇另一Process來執(zhí)行(課本第4部分討論)。更新選擇的Process的控制區(qū)塊。y

更新記憶體管理資料結(jié)構(gòu)。y

回存處理器的序文到該P(yáng)rocess被切換之前。作業(yè)系統(tǒng)的執(zhí)行方式z

作業(yè)系統(tǒng)的特殊角色y

作業(yè)系統(tǒng)是電腦軟體，也就是處理器執(zhí)行的程式。y

作業(yè)系統(tǒng)時常放棄控制，且依賴處理器允許它取回控制權(quán)。y

作業(yè)系統(tǒng)是個Process嗎？它如何控制？z

非Process核心(Non-process

Kernel)：y

常在舊作業(yè)系統(tǒng)見到的方法。y作業(yè)系統(tǒng)在所有Process外執(zhí)行，是分開執(zhí)行的實(shí)體，擁有特權(quán)模式。y

所謂Process即為User

Process。Figure

3.14

(a)Separate

kernel26z

將整個作業(yè)系統(tǒng)視為User

Process的內(nèi)容z

作業(yè)系統(tǒng)是常式的集合，讓使用者呼叫來執(zhí)行各種功能z

在User

Process的環(huán)境中執(zhí)行。z當(dāng)中斷、陷阱或管理者呼叫發(fā)生，處理器就進(jìn)入核心模式，?將控制權(quán)交給作業(yè)系統(tǒng)。z?未做處理程序切換，只進(jìn)行了模式切換。作業(yè)系統(tǒng)碼以共享的方式，被User

Process所執(zhí)行。與User

Process一起執(zhí)行Figure

3.14

(b)OS

functionsexecute

within

userprocesses27與User

Process一起執(zhí)行(續(xù))28z

在核心模式時，使用分開的核心堆疊(kernel

stack)管理呼叫/返回。z

作業(yè)系統(tǒng)在共享的位址區(qū)域，可被所有User

Process共享Figure

3.15

Process

Image:

OperatingSystem

Executes

Within

User

Space處理程序?yàn)榛A(chǔ)的作業(yè)系統(tǒng)

Process-based

Operating

Systemz

將作業(yè)系統(tǒng)視為許多Process的集合y

主要的核心函數(shù)組織成分離的Processz

優(yōu)點(diǎn)：y

模組化的設(shè)計。y

採Process設(shè)計，各函數(shù)可以設(shè)定不同的優(yōu)先權(quán)執(zhí)行，?與其他

Process交錯執(zhí)行。y對多處理器或分散式系統(tǒng)而言，可將作業(yè)系統(tǒng)服務(wù)移至其他處理器上執(zhí)行，來提昇效率。Figure

3.14

(c)

OS

functions

execute

as

separate

processes293.4

Unix

SVR4

Process管理30z

大部分Unix作業(yè)系統(tǒng)的功能，都在User

Process的環(huán)境下執(zhí)行。(圖3.14(b)的模式)z

使用兩種類型的Processy

System

Process:核心模式下執(zhí)行，例如：配置記憶體、置換

Process。y

User

Process:

(1)

run

in

user

mode

for

user

programs;

(2)

run

in

kemodes

for

system

calls,

traps,

and

interrupts.z

Process狀態(tài)：共9種狀態(tài)，類似之前的7狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。y

Created=New;Zombie(僵屍)=Exit；…。y

執(zhí)行中(Running)分為:[User

Running],[Kernel

Running]，表示在使用者模式或核心模式內(nèi)執(zhí)行。y

區(qū)分備妥[Ready

to

Run

in

Memory]及被先佔(zhàn)[Preempted]:二者本質(zhì)上相同，只是區(qū)別進(jìn)入此狀態(tài)的途徑，二者也放在同一佇列上。y

先佔(zhàn)動作(Preemption)只發(fā)生在Process由kernel轉(zhuǎn)移至user

mode時。使得Unix不適於即時處理(Real-time

processing)。Figure

3.16

UNIX

Process

State

Transition

Diagram31Unix

System

Processes32z

Process

0是在系統(tǒng)啟動時(boot

time)建立的特殊process，y

預(yù)先定義成一個啟動時載入的資料結(jié)構(gòu)。y

稱為置換者處理程序(“swapper

process”)。z

Process

0

fork

process

1

(the

init

process)z

所有系統(tǒng)中的process都是Process

1的child

process。y

當(dāng)使用者登錄系統(tǒng)，Process

1建立一User

Process給該使用者。Unix處理程序影像(Process

Image)33z

使用者階層序文(User-level

context)y

Process本文(Text)：程式的可執(zhí)行機(jī)器指令(code:read-only)y

Process資料(Data)y

使用者堆疊(User

Stack)：calls/returns

in

user

modey共享記憶體(Shared

memory)：用於行程間通訊(IPC)。只有一份實(shí)體，但藉由虛擬記憶體