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1、第2章 进程与线程,本章目录,2.1 进程的概念,2.1.1 多道程序设计环境下的程序特点,2.1.2 进程的定义,2.2 进程的管理,2.2.1 进程控制块,2.2.2 进程控制块队列,2.4.3 Linux进程的生存过程,2.2.3 进程控制的系统调用命令,2.1.3 进程的状态及状态变迁,2.3 线程,2.3.1 线程的概念,2.3.2 线程的实现,2.3.3 线程与进程的关系,2.4 Linux的进程,2.4.1 Linux进程,2.4.2 Linux的几种链接信息,2.1 进程的概念,多道程序设计环境下的程序特点,.,单道程序设计环境下的程序特点,1.,资源的独占性,程序A,程序B,
2、程序C,时间,4,2,3,4,2,4,5,3,3,0,4,6,9,14,18,20,23,26,30,图例：打印机输出 CPU执行,.,.,执行的顺序性,结果的再现性,多道程序设计环境下的程序特点,2.,程序A,时间,0,4,6,9,12,15,17,13,18,22,程序B,程序C,.,执行的并发性：宏观上，在内存的多个程序都按自己程序规定的操作步骤向前推进；微观上，CPU在任何时刻只执行一个程序，它们轮流占用CPU，交替地执行着。,.,相互的制约性：内存里的多个程序共享系统中的资源，相互间必然有各种制约。一种是“间接制约关系”，另一种是“直接制约关系”。,程序P1调用echo()函数，ge
3、tchar()接收到从键盘输入的字符x，在将其存于变量chin后被中断；,程序P1从断点恢复执行。此时由于P2调用了echo()，chin里原先的x被y所覆盖。于是，在屏幕上显示的是y，而不是x。,程序P1调用echo()函数，getchar()接收到从键盘输入的字符x，然后在屏幕上显示出字符x；,.,状态的多变性：诸多程序在运行过程中有着各种制约关系，致使内存中每一个程序的状态总在不断的变化之中：时而获得CPU处于运行状态；时而由于输入/输出或申请某种资源未得到满足而只好挂起来等待。它们走走停停，停停走走，交替式地向前推进，直至终点。,例2-1：,在多道程序设计环境下，“结果再现性”被打破的
4、简单例子,void echo()chin=getchar();chout=chin;putchar(chout);,执行顺序1：,程序P2调用echo()函数，getchar()接收到从键盘输入的字符y，然后在屏幕上显示出字符y。,（1）,（2）,.,.,执行顺序2：,（1）,（2）,（3）,程序P2获得CPU使用权，调用echo()函数，从头做到尾，屏幕上显示字符y；,返回目录,.,2.1.2 进程的定义,1.,进程的定义,.,进程是程序的一次运行活动；,进程的运行活动是建立在某个数据集合之上的；,进程要在获得资源的基础上从事自己的运行活动。,所谓“进程”是指一个程序在给定数据集合上的一次执
5、行过程，是系统进行资源分配和运行调度的独立单位。,可从三个方面来描述进程：,（1）,（2）,（3）,例2-2：,驼峰溜放控制过程中的进程,驼峰,到达场,编组场,溜放中的一勾车,雷达测速、测长,道岔(轨道电路),一列新货车,一列解体货车,缓行器,1,2,3,4,5,6,7,8,股道号,溜放中的一勾车,扳道岔程序,.,.,缓行器控制程序,.,雷达测速程序,.,雷达测长程序,.,巡回检测程序,2.,进程与程序的关系,进程是一个动态的概念，强调的是程序的一次“执行”过程；程序则是一组有序指令的集合，在多道程序设计环境下，它不涉及“执行”，是一个静态的概念。,.,.,不同进程可执行同一个程序。由进程的定
6、义可知，区分进程的条件一是所执行的程序，二是数据集合。即使多个进程执行相同的一个程序，只要它们运行在不同的数据集合上，它们就是不同的进程。,.,每个进程都有自己的生命期。进程的本质是程序的一次执行过程，当系统要完成某项工作时，它就“创建”一个进程，以便执行事先编写好的、完成该工作的那段程序。程序执行完毕、完成预定的任务后，系统就“撤消”这个进程，收回它所占用的资源。一个进程创建后，系统就感知到它的存在；一个进程撤消后，系统就无法再感知到它。于是从创建到撤消，这个时间段就是一个进程的“生命期”。,.,进程之间具有并发性。在一个系统中，同时会存在多个进程，与它们对应的多个程序同时在系统中运行，轮流
7、占用CPU和各种资源。这正是多道程序设计的初衷，说明这些进程在系统中并发执行着。,.,进程间会相互制约。由于进程是系统中资源分配和运行调度的单位，因此在对资源共享和竞争中，必然会相互制约，影响了各自向前推进的速度。,通常，系统进程运行在核心态，用户进程运行在用户态。不过，在微内核模式下，只有那些执行基本功能程序的进程，运行在核心态，那些执行非基本程序的进程，则以各种服务的形式运行在用户态。,系统进程与用户进程都要使用系统中的各种资源，它们都是资源分配与运行调度的独立单位，但系统进程的使用级别，应该高于用户进程。也就是说，在双方出现对资源的竞争时，系统进程有优先获得资源、优先得到运行的权利。只有
8、这样，才能保证计算机系统高效、有序的工作。,系统进程直接管理软、硬件资源的有关活动；而用户进程则不得插手资源管理，在需要使用资源时，必须向系统提出申请，由系统统一调度与分配。,系统进程间的相互关系由操作系统负责协调，以利于增加系统的并行性，提高资源的整体利用率；用户进程间的相互关系由用户自己（在程序中）安排。不过，操作系统会向用户提供一定的协调手段（以系统调用命令的形式）。,3.,系统进程与用户进程,.,在多道程序设计系统中，既有操作系统程序，又有用户程序，因此整个系统中存在着两类进程：一类是系统进程，一类是用户进程。,.,操作系统中用于管理系统资源的那些可以并发执行的程序，构成了一个个系统进
9、程，它们提供系统的服务，分配系统的资源；而可以并发执行的用户程序段，形成一个个用户进程，它们是操作系统的服务对象，是系统资源的实际享用者。,.,系统进程与用户进程的主要区别：,（1）,（2）,（3）,（4）,返回目录,终止：进程或正常结束，或因某种原因被强制结束。这时，系统正在为其进行善后处理。,阻塞：进程正在等待某事件（如I/O完成）的发生。在事件到来之前，即使把CPU分配给这个进程，它也无法运行。阻塞状态有时也被称为等待状态。,运行：进程获得CPU正在被执行中。若系统只有一个CPU，那么任何时候系统中最多只有一个进程处于运行状态。,就绪：进程已具备运行的条件，只要有机会获得CPU，它就可以
10、投入运行。,创建：进程正在初创时期，操作系统还没把它列入可执行的进程行列。,进程的状态及状态变迁,1.,进程的基本状态和状态变迁,.,.,就绪,提交,运行,阻塞,终止,调度,撤销,超时,事件发生,等待事件,三种最基本的状态,创建,进程的五种状态,（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,进程状态的变迁,进程从一个状态改变成另一个状态，称为进程状态的“变迁”。箭头上的文字，是引起状态变迁的原因。并不是所有的进程状态之间都可发生变迁。,.,可能的变迁为:创建就绪,就绪运行,运行就绪,运行阻塞,阻塞就绪,运行终止,就绪/挂起：进程在辅存。只要被激活，进程就可以调入内存，如果获得CPU就可以投入运行。,
11、2.,对进程状态更细致的划分,就绪/挂起,就绪,激活,运行,阻塞,终止,调度,撤销,超时,事件发生,等待事件,挂起,阻塞/挂起,激活,挂起,事件发生,创建,提交,提交,挂起,.,.,若内存中现有的进程都在等待I/O的完成，CPU只能空闲运转。这无疑是对系统资源的一种浪费。,.,使用磁盘与内存间的交换技术，可达到提高CPU利用率的目的。,新增两个状态,（1）,（2）,阻塞/挂起：进程在辅存等待事件的发生。只要被激活，进程就可以调入到内存里去等待事件的发生。,.,处于这两种状态的进程，表示它们是在辅存而不是内存。只有通过“激活”，才可以使这些进程的状态变迁为“就绪”或“阻塞”，从而进入内存。,.,
12、这时，比较重要的变迁是：阻塞阻塞/挂起，阻塞/挂起就绪/挂起，就绪/挂起就绪，就绪就绪/挂起，创建就绪，创建就绪/挂起，阻塞/挂起阻塞，运行就绪/挂起。,返回目录,进程控制块里包括四种基本信息：标识信息、现场保护区信息、调度信息以及管理信息。,程序代码及与代码相关联的数据集合，是组成一个进程的实体。但它们都是静态文本，无法反映进程的各种动态特征。,2.2 进程的管理,2.2.1 进程控制块,.,.,.,1.,进程控制块,为便于管理和控制进程的执行，为随时刻画进程的动态特性，为反映进程间的相互关系，操作系统用一个与进程有关的数据结构来完成这样的任务。这个数据结构被称为“进程控制块(PCB)”，它
13、由操作系统创建和管理。,标识信息,现场保护区信息,调度信息,管理信息,进程标识符(进程名),进程标识数(PID),家族关系(父进程),家族关系(子孙进程),通用寄存器,指令计算器,程序状态字(PSW),用户栈指针,进程状态,进程优先数(级/权),等待原因,队列指针,程序存放位置,资源使用历史,打开的文件,数据存放位置,由于进程控制块PCB里包含着一个进程所需要的所有信息，因此它是操作系统中最重要的一种数据结构。进程的PCB是系统感知一个进程实际存在的唯一实体。,.,2.,进程的三个组成部分,.,.,操作系统中进程由三个部分组成，称为“进程映像”。,（1）,（2）,（3）,程序：进程将要执行的程
14、序；,数据：用户空间中的可修改部分，如数据、堆栈、可修改程序；,进程控制块PCB：记录操作系统管理、控制进程所需要的数据信息。,进程映像的表示,PCB,PCB,PCB1,PCB2,程序,程序,程序,数据集合,数据集合,数据集合1,数据集合2,(a),(b),(c),3.,进程间的切换,进程P0,进程P1,操作系统,中断或系统调用,保护现场到PCB0,从PCB1现场保护区获取现场信息,中断或系统调用,保护现场到PCB1,从PCB0现场保护区获取现场信息,执行,执行,执行,被打断的断点x,从断点x恢复执行,被打断的断点y,返回目录,PCB中可以有多个队列指针，以反映进程间的不同关系，比如用另一个指
15、针反映出进程间的家族关系。,还可以有就绪/挂起队列、阻塞/挂起队列等；,队列最后一个PCB的“队列指针”里，放队列结束标志，如“-1”；,操作系统要为每个队列设置一个头指针，通过它及队列中各PCB里的队列指针，可以得到该队列里的所有进程的PCB；,2.2.2 进程控制块队列,.,操作系统是通过PCB来管理系统中 的进程的。最常用的办法是根据进程所处状态的不同，通过PCB中的链接指针，形成各种管理队列。,.,运行队列头指针,就绪队列头指针,PCB,PCB,PCB,PCB,PCB,-1,阻塞队列1头指针,PCB,PCB,-1,阻塞队列2头指针,PCB,PCB,PCB,PCB,-1,PCB,队列指针
16、,(a)带有队列指针的PCB,(b)由PCB组成的各种队列,几点说明,（1）,（2）,（3）,（4）,返回目录,按系统所采用的调度算法，将其PCB排入就绪队列或就绪/挂起队列。,调用创建进程原语后，系统中出现一个新的进程，就会感知到这个进程的存在。一个进程创建（或“派生”）另一个进程，前者称为父进程，后者称为子进程。,2.2.3 进程控制的系统调用命令,在执行期间不能被打断、不能被分割的程序段，在操作系统里称作“原语”、“原子操作”或“不可分割的操作”。,.,.,.,有关进程控制的系统调用命令都是以原语的形式出现的。,1.,创建进程原语,屏蔽中断,申请一个PCB,分配一个标识,填写PCB,将进
17、程置为就绪或就绪/挂起状态，到相应队列排队,开中断,不能被分割的整体,.,创建进程原语程序主要应该完成的工作,（1）,为新进程申请一个PCB；,（2）,为新进程分配一个唯一的标识；,（3）,根据创建者提供的信息，填写进程控制块PCB里的各项内容；,（4）,.,创建进程原语的图中，“屏蔽中断”及“开中断”两个操作，是为了保证整个执行流程不被分割而设置的。也就是说，这四项工作必须作为一个整体一次执行完毕，中间不能被别的操作打断。这是原语的要求。,2.,撤消进程原语,.,调用撤消进程原语后，一个原来在系统里存在的进程就消失了，系统再也不会感知到它的存在。,.,撤消进程原语应该完成的工作,（1）,（2
18、）,根据进程标识，找到相应的PCB，若该进程正在运行，则立即终止运行；,（3）,释放该进程使用的所有资源（如程序、数据所占用的存储空间等）；,（4）,若有子孙进程，终止它们，释放资源；,归还所占用的PCB空间。,3.,阻塞进程原语,.,在生命期里，进程走走停停。“停”的原因，就是为等待某个事件的发生而被阻塞。调用阻塞原语后，一个原来处于运行的进程变为阻塞状态，操作系统将会重新对CPU进行分配。,.,阻塞进程原语应该完成的工作,（1）,（2）,停止进程的运行，将CPU的运行现场保护到该进程PCB的现场保护区；,（3）,把进程的状态由运行修改为阻塞，并到相关的阻塞队列里排队；,转向操作系统的进程调
19、度程序，将CPU分配给另外一个进程使用。,.,4.,唤醒进程原语,当所等待的事件发生以后，进程就应该被唤醒，让其去参与对CPU的竞争。调用唤醒进程原语后，一个进程又可以“走”了。,.,唤醒进程原语应该完成的工作,（1）,（2）,将进程从相应的阻塞队列上摘下来；,（3）,把进程的状态由阻塞修改为就绪，并到就绪队列里排队；,转向操作系统的进程调度程序，将CPU分配给另外一个进程使用。,5.,挂起进程原语,.,当系统为了获得所需的内存空间，在主-辅存之间交换进程时，进程才会有挂起状态。,.,挂起进程原语应该完成的工作,（1）,（2）,得到需要挂起的进程的PCB，将其从相应队列里摘下；,（3）,申请位
20、于辅存上的交换区空间，将进程映像的部分或全部写入交换区，并将交换区地址记入该进程PCB；,根据进程原先的状态，把其状态修改为阻塞/挂起，或就绪/挂起；,（4）,系统收回进程所占用的内存空间。,通过对驼峰溜放控制过程的简略描述，理解进程控制原语的应用。,激活是针对处于“阻塞/挂起”或“就绪/挂起”状态的进程实行的操作。由于它是挂起的“逆”操作，因此激活进程的原因就与挂起的原因相关。,每股道是一个“进路”。对任何一个道岔，知道所来勾车的进路编码，就能知道当前道岔应该是往左扳动还是往右扳动。,.,6.,激活进程原语,.,激活进程原语应该完成的工作,（1）,（2）,得到需要激活的进程的PCB，将其从相
21、应队列里摘下；,（3）,申请所需要的内存空间，将存放在辅存交换区里的进程映像读入该内存区域；,根据进程状态修改为阻塞或就绪，把PCB排入相应的管理队列；,（4）,释放所占用的辅存交换区。,勾车进入方向,勾车出清方向,勾车出清方向,道岔,轨道电路,轨道电路,轨道电路,勾车进路表,例2-4：,（1）,对每个道岔，都装有“轨道电路”硬设施，当一勾车的第一对车轮从进入方向压到轨道电路时，它会发一个消息给计算机；当这一勾车的最后一对车轮从出清方向压到轨道电路时，它也会发一个消息给计算机。,（2）,（3）,系统为每一个道岔开设一张勾车进路表，保存所来勾车的进路编码。,返回目录,2.3.1 线程的概念,2.
22、3 线程,1.,引入线程的原因,进程的两个属性,做法是将进程的两个属性拆开来，进程只作为“资源拥有者”，“调度和运行”则赋予线程。这样，CPU的利用率能得到更多的提高，使系统的效率得到更充分地发挥。,.,（1）,（2）,进程是系统资源分配的单位；,进程是系统调度运行的单位。,.,资源分配和调度运行彼此间是独立的。为提高进程的并发执行程度，减少系统在进程切换时所花费的开销，就出现了与进程管理相关联的更高级的概念：线程。,.,(a)单进程，单线程,(b)单进程，多线程,(c)多进程，每个进程一个线程,(d)多进程，每个进程多个线程,在引入线程的操作系统中，线程是进程中的实体。实施CPU分配时，是把
23、CPU分配给进程中可以并发执行的线程。因此，如果把进程理解为是操作系统在逻辑上需要完成的一个任务，那么线程则是完成该任务时可以并发执行的多个子任务。,.,.,进程和线程之间的各种关系,2.,线程的定义,所谓“线程”，是指进程中实施处理机调度和分配的基本单位。有了线程后，人们有时就把原先的进程称为“重载进程”，把线程称为“轻载进程”。,3.,线程的状态,由于在进程内的线程共享程序和资源，因此创建线程无需进行资源分配，比创建一个进程要顺利和快捷得多；这也使得撤消线程比撤消一个进程所花费的时间短；,.,.,引入线程的好处,（1）,同一进程里线程间的切换是在进程的地址空间里进行，因此比进程间不同地址空
24、间中的切换开销要少得多；,（2）,进程里的线程可以随时访问该进程拥有的所有资源，无需做任何切换工作；,（3）,同一进程中的诸多线程共享内存区域和文件，因此它们之间可以直接进行通信，不必通过系统内核。,（4）,.,创建：创建一个新进程时，同时就为该进程建立一个主线程，它可以再创建其他线程，新线程被排在就绪队列中。,.,阻塞：当线程等待一个事件时，它将被阻塞，CPU转而去执行另一个就绪线程。线程阻塞引起的是同进程中线程间的调度和CPU分配；进程的阻塞引起的是不同进程间的重新调度和CPU分配。,.,唤醒：当线程等待的事件发生时，该线程由阻塞转为就绪，插入到就绪队列中。,返回目录,2.3.2 线程的实
25、现,1.,用户级线程方法,若有关线程的管理工作都是由运行在用户空间的应用程序完成，那么这样的线程称为“用户级线程”。完成线程管理的应用程序，称为“线程库”，它将被系统中的所有用户程序共享使用。,2.,这时，用户程序被创建成为一个由内核管理的进程，与这个进程相对应的线程则在用户空间里运行。,.,内核级线程方法,线程库,用户空间,内核空间,P,进程,线程,.,.,由于一切活动都是针对一个进程发生的，并且都发生在用户空间里，系统感知不到这些活动的存在。系统内核仍然是以进程为单位管理和调度进程，指定其所处的状态。,用户空间,内核空间,P,进程,运行在用户态的线程,管理在核心态的线程,.,若有关线程管理
26、的所有工作都是由内核完成的，用户空间里没有任何进行线程管理的程序，只是向应用程序提供相应的系统调用和应用程序编程接口），以便用户程序可以创建、执行、撤消线程。那么这样的线程称为“内核级线程”。,3.,组合方法,.,采用这种方法，用户程序的所有线程都在一个进程内。内核为该进程以及内部的每一个线程（深色圆圈）维护上下文信息，调度在内核基于线程架构的基础上完成，线程运行则在用户空间进行。,.,组合方法中，同一进程中的多个线程可以分配到不同处理器上并行地运行，这意味着一个会引起阻塞的系统调用不必阻塞整个进程。这样组合式的管理方法，会综合用户级线程与内核级线程管理方法的优点，减少它们的缺点。,.,在组合
27、式方法中，线程的创建在用户空间里完成，线程的调度等工作，是通过线程库来进行。一个用户程序中的多个用户级线程，被映射到一些内核级线程上。,.,内核级线程可把同一进程中的多个线程调度分配到不同处理器中；若进程中的一个线程被阻塞，内核可调度同一进程中的另一个线程投入运行，而不是整个进程都被阻塞。内核级线程的另一个优点是内核程序本身也可使用多线程技术。,用户空间,内核空间,P2,进程,用户级线程,内核级线程,P1,线程库,.,内核级线程在同一个进程里进行线程切换时，是在内核模式下进行的。这相比用户级线程，就会显得复杂一些，所花费的时间要多一些。,返回目录,调度切换：不同进程间的调度切换，系统要花费很大
28、的开销（比如，要从这个地址空间转到那个地址空间，要保护现场等）；同一进程的线程间的切换，无须转换地址空间，从而减少了系统的开销。,通信关系：不同进程间的通信，必须使用操作系统提供的进程通信机制；同一进程各个线程间的通信，可以直接通过访问共享的进程地址空间来实现。,地址空间：不同进程的地址空间是相互独立的，而同一个进程中的各个线程共享着同一个用户地址空间。,两个堆栈指针，一个指向用户栈（线程在用户态下时，使用自己的用户栈），一个指向系统栈（线程在核心态下运行时，使用系统栈）；,2.3.3 线程与进程的关系,1.,线程与进程的关系,.,线程控制块（TCB）的三部分内容,（1）,一个唯一的线程标识；
29、,（2）,（3）,一个私用的现场保护区，存放现场保护信息（如处理机的各种寄存器内容）和其他与线程有关的信息。,PCB,数据,程序,用户栈,系统栈,寄存器,单线程进程模型,进程,PCB,数据,程序,用户栈,系统栈,寄存器,TCB1,用户栈,系统栈,寄存器,TCB2,用户栈,系统栈,寄存器,TCB3,线程1,线程2,线程3,进程,多线程进程模型,进程和线程的几点不同,.,（1）,（2）,（3）,一个管理窗口系统的进程，提供显示器上有关窗 口的各种操作：窗口写、移动窗口、改变 窗口尺寸等的程序。进程拥有的资源是物 理显示器。如图所示，三个窗口线程都将共享着进程的资源，使用同一个程序来把信息写到显示器
30、的某一部分上，每一个线程的执行独立于其他线程。,例2-7：,窗口线程,窗口进程,三个窗口,显示器,处理机管理的新含义,2.,.,调度：引入线程后，进程是资源的拥有者，线程是处理机调度和分配的单位。在同一进程内，线程的切换不引起进程的切换；由一个进程中的线程切换到另一个进程中的线程时，就要引起进程间的切换。,.,并发：引入线程后，不仅进程之间可以并发执行，而且一个进程内的多个线程之间也可以并发执行，因此系统具有了更好的并发性，进而使系统的资源利用率和吞吐率大大提高。,.,资源：引入线程后，进程内的所有线程共享该进程拥有的全部资源；线程只有很少一些运行时必需的资源，如程序计数器、一组寄存器和堆栈等
31、。,.,开销：创建和撤消进程时，系统要做资源的分配和回收工作；进程间进行切换时，系统要为其保存现场信息，将原进程内容调出至辅存，将新进程内容调入内存等。同一进程内的线程有相同地址空间，它们间的切换不涉及存储器管理方面的操作。,返回目录,系统调用接口。进程通过它进入Linux内核，并得到所提供的各种特定服务。,用户进程。用户应用程序是运行在Linux内核上的一个庞大的软件集合。当一个用户程序在操作系统上运行时，它就成为一个进程。在Linux里常把进程称为“任务”。,2.4 Linux的进程,2.4.1 Linux进程,Linux内核,1.,.,Linux内核，指的是所有Linux发布版本的核心程
32、序。整个系统由四个部分组成：,（1）,系统调用接口,内核子系统,硬件,进程1,进程2,进程n,用户进程,Linux内核,进程调度,存储管理,虚拟文件系统,网络,进程间通信,（2）,（3）,Linux内核。它负责管理和使用系统中的各种资源（如内存空间、磁盘空间、磁盘上的文件），以及启动并运行程序等。Linux内核并发地运行多个进程，并使各种进程公平、合理地使用各种资源，保证进程之间互不干扰地安全运行。,（4）,硬件。这是安装Linux时需要的所有可能的物理设备，是支撑Linux运行的硬件环境，比如CPU、内存储器、磁盘、网络硬件等。,Linux的进程控制块,2.,.,Linux中，把传统的进程控
33、制块PCB称为进程描述符，用于记录每个进程所做的事情。每个PCB都是一个task_struct的结构式数据类型。,Linux系统中的进程，由四个部分组成,.,内核栈,PCB(task_struct 结构),8KB,52个字节,高地址,低地址,内核栈的增长方向,8140个字节,（1）,一段可执行的程序；,（2）,一个专用的系统栈空间，用来保存中断现场信息和进程进入内核模式后执行子程序（函数）嵌套调用的返回现场信息；,（3）,进程控制块PCB（task_struct结构）；,（4）,独立的存储空间。,每个进程的系统栈和PCB间存在着紧密关系，为了节省存储空间，Linux把每个进程的PCB和内核栈存
34、放在一起，共占有8KB的内存区。,.,Linux的进程状态及其变迁,3.,可运行状态：当一个进程正在被CPU执行，或已经准备就绪随时可由调度程序调度执行，则称该进程处于“可运行”状态。,（1）,（2）,可中断等待状态：当一个运行进程需等待某事件的发生、等待时允许由其他进程通过发信号而唤醒，那么就把它的状态由“可运行”变迁为“可中断的等待”。在所等待的事件或信号到来时，进程的等待结束，状态变迁为“可运行”。,不可中断等待状态：这是一种与“可中断的等待”类似的状态，只是在等待期间不能被信号打断。,（3）,（4）,暂停状态：当运行进程接到暂停执行的信号（比如程序正在接受调试）时，其状态就由“运行”变
35、迁成为“暂停”。,创建一个进程,TASK_RUNNING（可运行状态）,时间片到,调度,TASK_UNINTERRUPTIBLE（不可中断等待状态）,TASK_INTERRUPTIBLE（可中断等待状态）,TASK_STOPPED（暂停状态）,TASK_ZOMBIE（僵死状态）,占有CPU运行,等待事件发生,等待事件或信号发生,等待的事件已发生,等待的事件或信号已发生,收到暂停信号,进程被终止,收到结束暂停信号,（5）,僵死状态：由于某种原因进程已被终止执行，正在归还资源，但其PCB还没有释放。这时的进程就处于僵死状态。,Linux的进程标识符,4.,.,进程标识符：在Linux进程的PCB里
36、，字段pid存放进程标识符，用来唯一地标识进程。,.,用户标识符：在Linux里，每个用户都有一个唯一的数字与之对应，称为用户标识符。它存放在进程PCB的字段uid里。,.,Linux将用户划分成组，每个用户可分属一个或多个用户组。组由一个唯一的数字来标识，称为组标识符。组标识符存放在进程PCB的字段gid里。,返回目录,2.4.2 Linux的几种链接信息,进程链表,1.,.,.,Linux启动时，创建了一个非常特殊的进程，它的名字是init，进程标识符PID为1。,每个进程的PCB里有两个task_struct型指针字段，作用是：prev_task：向前指针，指向链表中本进程前面的那个进程
37、的PCB；next_task：向后指针，指向链表中本进程后面的那个进程的PCB。,init进程的PCB,next_task,prev_task,进程1的PCB,next_task,prev_task,进程2的PCB,next_task,prev_task,进程3的PCB,next_task,prev_task,进程n的PCB,next_task,prev_task,系统中的所有进程,“可运行”队列,2.,PCB里有名为prev_run和next_run的两个task_struct型指针字段，作用是：prev_run：向前指针，指向链表中本进程前的那个“可运行”状态进程的PCB；next_run
38、：向后指针，指向链表中本进程后的那个“可运行”状态进程的PCB。,.,.,为提高调度时的查找速度，Linux是以优先级为依据建立“可运行”队列的。Linux进程优先级的允许范围从0到139，因此系统总共维护着140个“可运行”的队列。,利用散列表pidhash里的pidhash_next和pidhash_pprev，以及进程PCB里的字段pidhash_next和pidhash_pprev，就能基于散列表的索引值形成一个个进程PCB的双向链表。,PID散列链表,2.,.,为了加快查找过程，理想的做法是通过某个函数，利用进程的PID值算出进程PCB所在的位置。这实际上就是所谓的散列技术。,.,L
39、inux引入了散列技术，并利用链地址法来处理PID冲突。即如果两个不同的PID计算出的PCB在散列表的索引值相同（冲突），那么就把这两个PCB组成链表链接在一起。,pidhash_next,pidhash_pprev,pidhash_pprev,pidhash_next,pidhash_next,pidhash_pprev,pidhash_next,pidhash_pprev,pidhash_next,pidhash_pprev,pidhash_next,pidhash_pprev,pidhash散列表,0,199,散列表的一个元素,进程的PCB,进程的PCB,进程的PCB,进程的PCB,为实
40、现PID散列链表，Linux开辟了名为pidhash的数组作为散列表。该表的每个元素由两个task_struct型指针组成：pidhash_next指向pidhash散列表里该索引值链表中的下一个PCB；pidhash_pprev指向pidhash散列表里该索引值链表中的前一个PCB。,.,.,4.,进程家族关系链,.,.,p_opptr：指向初始父进程的指针；,创建进程的进程称为父进程，被创建的进程称为子进程。如果一个进程创建了若干个子进程，那么这些子进程之间就是兄弟关系。Linux的PCB里专门有反映进程间关系的task_struct型指针字段。,p_pptrr：指向父进程的指针；,p_c
41、ptr：指向最新子进程的指针；,p_ysptr：指向弟进程的指针；,p_osptr：指向兄进程的指针。,P0,P1,P2,P3,P4,指向父进程,指向兄进程,指向弟进程,指向最新子进程,图例：,各种家族指针,（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,比如，进程P0创建三个子进程，P1、P2、P3，进程P3又创建了一个进程P4。那么，这五个进程间的关系如图所示。从图中看出，进程P0是进程P1、P2、P3的父进程；进程P3是进程P4的父进程；P1是P2的兄进程，P2是P3的兄进程；P2是P1的弟进程，P3是P2的弟进程；P3是P1的最新子进程，P4是P3的最新子进程；如此等等。,.,返回目录,2.4
42、.3 Linux进程的生存过程,Linux初启时运行在内核态。完成系统引导和初始化后，诞生了第一个进程：init进程。该进程为当前的每个终端创建管理进程，接收用户的登录信息。用户正确登录后，就为其创建名为shell的进程。此后用户与系统交互时，就由shell进程接收并解释用户输入的命令，创建子进程执行该命令。执行命令的子进程又可能再创建子进程，从而形成了一棵倒长的树：根在上面，树枝在下面。,.,系统中的进程个数,1.,32位/字,1024个字,pidmap_array位图,当这位为1时，表示系统里有PID等于3的进程,这位不用,.,Linux中同时存在的进程数目是受限的，缺省情况下最大的PID
43、值是32767。当PID达到这个上限值时，就必须使用已闲置的小PID值。,.,Linux在内核里开辟一个有1024个字、每个字32个二进制位的区域，用它各位的顺序来表示PID值。整个区域称为一个“位图”，取名pidmap_array。位图里的某位为“1”，表示该位代表的PID值已被进程使用；某位为“0”，表示该位代表的PID值还没使用，可作为新进程的PID。,进程的创建,2.,除了init进程外，运行在Linux系统中的其他进程，都是用系统调用fork和clone创建的。调用fork和clone的进程是父进程，被创建的进程是子进程。,.,.,子进程通过复制父进程而得到创建。使用fork和clo
44、ne的区别是：fork是全部复制，是把父进程使用的所有资源全部通过复制而“传”给子进程；clone则是通过设置各种参数，对资源做有选择地复制，没有被复制的就通过指针的复制让子进程共享。,.,不管是fork还是clone，它们都是调用内核函数do_fork()来完成对子进程的创建。,.,在fork或clone调用结束时，父进程和子进程同时存在，都可以运行。这时，父进程的返回点与子进程的开始执行点是一样的（因为子进程基本继承了父进程的一切），Linux用返回值来区分不同情况。,进程的执行,3.,为一个进程注入新“灵魂”的任务，在Linux里是由系统调用exec()来完成的。,.,.,exec()有三个参数：待执行的文件名、参数列表、环境变量表。调用exec()就做下面的三件事情：用所给的执行程序代替原先的代码段；废弃原有的数据段，为新程序分配新的数据段；废弃原有的堆栈段，为新程序分配所需的堆栈段。,.,一个进程执行exec()后，除进程的PID没有改变外，它的代码段、数据段、堆栈段全都变了，成了一个不是原进程（代码段、数据段、堆栈段全是新的）的原进程（因为PID是原来的）。,返回目录,
