1、第十三章 UNIX進(jìn)程子系統(tǒng)13.1 UNIX概述13.2 UNIX進(jìn)程控制子系統(tǒng)13.3 UNIX進(jìn)程調(diào)度13.4 UNIX進(jìn)程通信7/16/202213.1.1 UNIX的特征 核心部分設(shè)計(jì)簡單且功能全面 支持多用戶多任務(wù) 文件系統(tǒng)可裝卸 有良好的開放性及可移植性 具有強(qiáng)大的命令解釋功能 具有完善的安全機(jī)制 具有網(wǎng)絡(luò)特性13.1 UNIX概述7/16/202213.1.2 UNIX系統(tǒng)結(jié)構(gòu)硬件kernelShell edit編譯程序?qū)嵱贸绦蛴脩舫绦騏NIX簡略結(jié)構(gòu)7/16/2022用戶程序系統(tǒng)調(diào)用接口程序庫文件子系統(tǒng)緩存硬件控制硬 件設(shè)備驅(qū)動(dòng)字符塊進(jìn)程控制子系統(tǒng)IPC調(diào)度程序存儲(chǔ)管理陷入核

2、心部分UNIX核心框圖7/16/2022 硬件：可以是便攜機(jī)、個(gè)人機(jī)、工作站、大中小型機(jī)等 內(nèi)核：包括中斷、存儲(chǔ)、進(jìn)程、I/O、文件等管理程序 Shell：具有多種功能的系統(tǒng)程序 實(shí)用程序：完成大部分UNIX高級(jí)命令的功能UNIX層次結(jié)構(gòu)說明7/16/202213.2 UNIX進(jìn)程控制子系統(tǒng) 13.2.1 UNIX中進(jìn)程創(chuàng)建機(jī)制 13.2.2 UNIX中的進(jìn)程描述 13.2.3 UNIX進(jìn)程狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換 13.2.4 進(jìn)程映象7/16/20221、進(jìn)程創(chuàng)建層次結(jié)構(gòu)引導(dǎo)核心創(chuàng)建0#0#創(chuàng)建1#終端1終端2終端n。13.2.1 UNIX中進(jìn)程創(chuàng)建機(jī)制7/16/2022 0#進(jìn)程 由內(nèi)核程序創(chuàng)建，初

3、始化時(shí)創(chuàng)建1#進(jìn)程 負(fù)責(zé)進(jìn)程調(diào)度與對換 1#進(jìn)程 是所有用戶進(jìn)程的祖先進(jìn)程2、UNIX中的兩個(gè)特殊進(jìn)程7/16/202213.2.2 UNIX中的進(jìn)程描述UNIX采用段頁式存儲(chǔ)管理，段稱為區(qū)。有程序區(qū)、數(shù)據(jù)區(qū)、棧區(qū)等。每個(gè)區(qū)又可分頁。UNIX把PCB分為四部分：proc結(jié)構(gòu)（進(jìn)程基本控制塊）User結(jié)構(gòu)（進(jìn)程擴(kuò)充控制塊）系統(tǒng)區(qū)表：各區(qū)的頁表位置本進(jìn)程區(qū)表pprt(Per Process Region Table)：指向系統(tǒng)區(qū)表7/16/2022proc結(jié)構(gòu)（進(jìn)程基本控制塊）進(jìn)程狀態(tài)進(jìn)程用戶標(biāo)識(shí)進(jìn)程標(biāo)識(shí)進(jìn)程存儲(chǔ)大小進(jìn)程調(diào)度參數(shù)軟中斷信號(hào)項(xiàng)執(zhí)行時(shí)間及資源使用User結(jié)構(gòu)起始址進(jìn)程區(qū)表指針被掛起事件

4、描述7/16/2022user結(jié)構(gòu)（進(jìn)程擴(kuò)充控制塊）指向proc的指針系統(tǒng)調(diào)用參數(shù)與用戶標(biāo)識(shí)有關(guān)項(xiàng)與文件結(jié)構(gòu)有關(guān)項(xiàng)輸入輸出項(xiàng)打開文件描述符中斷及軟中斷參數(shù)錯(cuò)誤信息文件權(quán)限屏蔽項(xiàng)交換數(shù)據(jù)項(xiàng)7/16/2022userTextdatastack進(jìn)程表進(jìn)程I procPPRT系統(tǒng)區(qū)表頁表內(nèi)存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)圖7/16/2022九種狀態(tài)1）初始態(tài)2）內(nèi)存就緒態(tài)3）外存就緒態(tài)4）核心態(tài)下的執(zhí)行態(tài)5）用戶態(tài)下的執(zhí)行態(tài)6）內(nèi)存中的睡眠7）外存睡眠8）被剝奪9）僵死態(tài)13.2.3 UNIX進(jìn)程狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換見圖13-47/16/20221、進(jìn)程可在用戶態(tài)及核心態(tài)下運(yùn)行核心態(tài)用戶態(tài)中斷重置PSW進(jìn)程狀態(tài)間轉(zhuǎn)換的幾條規(guī)定

5、7/16/20222、對就緒進(jìn)程的兩種處理方法內(nèi)存就緒進(jìn)程參與競爭，外存就緒應(yīng)先換入內(nèi)存。由0#進(jìn)程管理。7/16/20223、有些狀態(tài)只能做單向轉(zhuǎn)換內(nèi)存睡眠的進(jìn)程可調(diào)出到外存睡眠，而外存睡眠的進(jìn)程不能調(diào)入到內(nèi)存睡眠，外存睡眠的進(jìn)程在被喚醒時(shí)只能進(jìn)入外存就緒態(tài)，等待下一次的調(diào)度時(shí)再進(jìn)入內(nèi)存，轉(zhuǎn)換是單向的。7/16/2022 13.2.4 進(jìn)程映象UNIX進(jìn)程映象由三部分組成：用戶級(jí)上下文：包括用戶正文段、用戶數(shù)據(jù)段和用戶棧寄存器級(jí)上下文：程序寄存器（PC）、處理機(jī)狀態(tài)寄存器（PSW）、棧指針、通用寄存器系統(tǒng)級(jí)上下文：靜態(tài)部分（PCB和資源表格）動(dòng)態(tài)部分：核心棧（核心過程的棧結(jié)構(gòu)，不同進(jìn)程在調(diào)用

6、相同核心過程時(shí)有不同核心棧） 7/16/202213.3.1 進(jìn)程調(diào)度程序主要責(zé)任 對參與競爭CPU且已具備執(zhí)行條件的進(jìn)程進(jìn)行分析和裁決 對選中的進(jìn)程做CPU控制權(quán)轉(zhuǎn)交 管理進(jìn)程運(yùn)行中各種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換 完成進(jìn)程在系統(tǒng)內(nèi)外存之間的對換13.3 UNIX進(jìn)程調(diào)度7/16/2022UNIX中有兩種調(diào)度時(shí)機(jī)：1）進(jìn)程自動(dòng)放棄CPU進(jìn)程由核心態(tài)轉(zhuǎn)為用戶態(tài)時(shí)說明：具體調(diào)度由0#進(jìn)程中的swtch程序完成。第一種調(diào)度時(shí)機(jī)是可預(yù)見的。13.3.2 調(diào)度時(shí)機(jī)7/16/2022采用：動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)多級(jí)反饋循環(huán)調(diào)度法（Round Robin With Multiple Feedback)13.3.3 調(diào)度算法7/16/2

7、022將就緒隊(duì)列分為N級(jí)，每個(gè)就緒隊(duì)列分配給不同的時(shí)間片，隊(duì)列級(jí)別越高，時(shí)間片越長，級(jí)別越小，時(shí)間片越短； 系統(tǒng)從第一級(jí)調(diào)度，當(dāng)?shù)谝患?jí)為空時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)向第二個(gè)隊(duì)列，.當(dāng)運(yùn)行進(jìn)程用完一個(gè)時(shí)間片，放棄CPU時(shí)，進(jìn)入下一級(jí)隊(duì)列；等待進(jìn)程被喚醒時(shí)，進(jìn)入原來的就緒隊(duì)列；當(dāng)進(jìn)程第一次就緒時(shí)，進(jìn)入第一級(jí)隊(duì)列 復(fù)習(xí)：多隊(duì)列反饋調(diào)度算法7/16/2022算法簡要描述1）給進(jìn)程分配時(shí)間片2）時(shí)間片結(jié)束時(shí)計(jì)算進(jìn)程優(yōu)先級(jí)3) 用優(yōu)先數(shù)做比較選出高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程4）調(diào)度高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程開始運(yùn)行5）被搶奪了cpu的進(jìn)程反饋到相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中7/16/2022Unix sys V采用動(dòng)態(tài)優(yōu)先數(shù)調(diào)度策略,并且規(guī)定優(yōu)先數(shù)越大，其優(yōu)先級(jí)

8、越低13.3.4 優(yōu)先級(jí)計(jì)算7/16/2022Ppri= Pcpu/2+PUSER+Pnice+NZERO其中：。PUSER，NZERO是優(yōu)先數(shù)基值；。Pcpu是每個(gè)進(jìn)程最近一次使用 CPU的時(shí)間；。Pnice是用戶設(shè)置的進(jìn)程優(yōu)先數(shù)偏移值。普通用戶只可增大Pnice計(jì)算公式7/16/2022 對于新創(chuàng)建的進(jìn)程 由于Pcpu/2=0，所以其優(yōu)先數(shù)會(huì)較小。因此會(huì)比較快的得到調(diào)度。 對于原有進(jìn)程 a) 當(dāng)被調(diào)度時(shí):隨著進(jìn)程執(zhí)行，其Pcpu的值不斷增加，因而可能會(huì)被其它進(jìn)程搶先； b) 當(dāng)不被調(diào)度時(shí):由于公式中Pcpu被2所除，因此每當(dāng)計(jì)算優(yōu)先數(shù)時(shí)，Pcpu/2項(xiàng)會(huì)衰減。因此當(dāng)其優(yōu)先數(shù)小于當(dāng)前進(jìn)程和其

9、它進(jìn)程時(shí)，又會(huì)重新?lián)屨糃PU。公式分析7/16/2022 進(jìn)程調(diào)度的實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上是完成進(jìn)程之間上下文（映象）的切換。分三步完成：第一步：檢查是否做且系統(tǒng)允許做上下文切換,若條件滿足，則保存： 進(jìn)程中各段內(nèi)容（數(shù)據(jù)，正文，棧） 有關(guān)寄存器中內(nèi)容 相關(guān)的棧指針否則返回有關(guān)信息，不作調(diào)度。13.3.5 進(jìn)程調(diào)度的過程7/16/2022第二步：0號(hào)進(jìn)程選取就緒隊(duì)列中一個(gè)優(yōu)先級(jí)最高的進(jìn)程，使之占有CPU；若沒有滿足條件的進(jìn)程存在，0號(hào)進(jìn)程循環(huán)。等待直到條件滿足為止。第三步：被選中的進(jìn)程變?yōu)楫?dāng)前進(jìn)程。系統(tǒng)從它的核心?；騯ser結(jié)構(gòu)中恢復(fù)該進(jìn)程的有關(guān)寄存器內(nèi)容和棧指針，新進(jìn)程開始執(zhí)行。7/16/202213.

10、4 UNIX進(jìn)程通信UNIX進(jìn)程通信有三種方式：信號(hào)(signals)通信管道(pipes)通信IPC(Inter Process Communication)通信:消息機(jī)制、共享內(nèi)存機(jī)制、信號(hào)量(semaphore)7/16/202213.4.1 信號(hào)概念：信號(hào)是一個(gè)整數(shù)，范圍從1-19，用于通知進(jìn)程發(fā)生了某異常事件。一個(gè)進(jìn)程可以向另一個(gè)進(jìn)程發(fā)送一個(gè)信號(hào)。每個(gè)進(jìn)程的PCB中都有一個(gè)信號(hào)域（19位），某進(jìn)程向本進(jìn)程發(fā)送一個(gè)信號(hào)時(shí)，信號(hào)域的對應(yīng)位就會(huì)被置位。19類信號(hào)好圖13-107/16/2022進(jìn)程從核態(tài)返回目態(tài)時(shí)要檢測信號(hào)位，若某位被置位則中斷正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)向與該信號(hào)對應(yīng)的處理程序。完

11、成后返回?cái)帱c(diǎn)執(zhí)行。信號(hào)機(jī)制是對中斷機(jī)制的模擬，故在早期又稱軟中斷。7/16/2022信號(hào)機(jī)制與中斷機(jī)制的比較相同點(diǎn)：都采用異步通信方式當(dāng)檢測到信號(hào)或中斷時(shí)，暫停當(dāng)前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)處理程序處理完后回到斷點(diǎn)信號(hào)和中斷都可進(jìn)行屏蔽7/16/2022不同點(diǎn)：中斷有優(yōu)先級(jí)，信號(hào)沒有信號(hào)處理在目態(tài)，中斷處理在管態(tài)中斷響應(yīng)是及時(shí)的，信號(hào)響應(yīng)通常都有較大的延遲。7/16/2022信號(hào)的發(fā)送發(fā)送進(jìn)程把信號(hào)送到指定進(jìn)程的信號(hào)域的某一位上。進(jìn)程可用kill向一個(gè)或一組進(jìn)程發(fā)送一個(gè)信號(hào)。int kill(pid,sig);其中：pid為正數(shù)時(shí)，信號(hào)發(fā)送給進(jìn)程pidpid 為0 時(shí)信號(hào)發(fā)送給與發(fā)送進(jìn)程同組的所

12、有進(jìn)程。sig為要發(fā)送的信號(hào)7/16/2022預(yù)置對信號(hào)的處理方式可用系統(tǒng)調(diào)用signal(sig,func)來預(yù)置對信號(hào)的處理方式。func=1時(shí)，進(jìn)程對sig信號(hào)不予理睬。func=0時(shí)，進(jìn)程在收到 sig信號(hào)后應(yīng)終止自己func 非0/1時(shí)，func是信號(hào)處理程序的指針7/16/2022對信號(hào)的處理進(jìn)程從核態(tài)返回目態(tài)時(shí)，要檢查是否已收到信號(hào)。而進(jìn)程在核態(tài)時(shí)并不檢查信號(hào)位。只有當(dāng)它返回目態(tài)后才處理信號(hào)。如果收到的信號(hào)是一個(gè)已決定忽略的信號(hào)（func=1），進(jìn)程不做任何處理便立即返回。若func=0，本進(jìn)程要終止。對有些信號(hào)，進(jìn)程在自我終止前，核心要將該進(jìn)程的內(nèi)存映像定入core文件，這可方

13、便程序員調(diào)試程序。func 非0/1時(shí)，執(zhí)行用戶設(shè)置的處理程序。7/16/202213.4.2 消息消息是一個(gè)格式化的可變長的信息單元。消息機(jī)制允許一個(gè)進(jìn)程給其它任意進(jìn)程發(fā)送一條消息。7/16/2022消息機(jī)制的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1、 消息首部消息分為首部及數(shù)據(jù)區(qū)。消息首部中記錄有消息的類型、大小、指向消息數(shù)據(jù)區(qū)的指針、消息隊(duì)列的鏈指針。7/16/20222、 消息隊(duì)列頭表其每一表項(xiàng)作為一個(gè)消息隊(duì)列的頭結(jié)點(diǎn)。它包括如下內(nèi)容：指向消息隊(duì)列的隊(duì)首及隊(duì)尾的指針隊(duì)列中消息的數(shù)目、隊(duì)列中消息數(shù)據(jù)的總字節(jié)數(shù)等。如圖13-127/16/2022消息隊(duì)列的建立系統(tǒng)調(diào)用 msgget()可用來建立消息隊(duì)列int msgg

14、et(key,msgflag)key: 用戶指定的消息隊(duì)列的名字msgflag：建立標(biāo)志，如ipc_CREAT表示若無以key命名的消息隊(duì)列，則建立，否則返回該消息隊(duì)列的msgid返回值為消息隊(duì)列的描述符msgid7/16/2022消息的發(fā)送系統(tǒng)調(diào)用 msgsnd()可用來發(fā)送消息。msgsnd(msgid,msgp,msgsz,msgflg)msgid表示消息隊(duì)列標(biāo)識(shí)，即消息要發(fā)送到的消息隊(duì)列。msgp指向要發(fā)送的消息msgsz要發(fā)送的消息的大小msgflg規(guī)定當(dāng)無內(nèi)存空間存儲(chǔ)消息時(shí)，進(jìn)程是等待還是立即返回。7/16/2022消息的接收系統(tǒng)調(diào)用msgrev()用于從指定的消息隊(duì)列接收指定類型

15、的消息。msgrev(msgid,msgp,msgsz,msgtpy,msgflg);msgid 消息隊(duì)列標(biāo)識(shí)，即從該消息隊(duì)列接收消息。msgp接收到的消息存放到該位置msgsz接收的消息的大小msgtpy 消息類型msgflg當(dāng)無指定消息時(shí)，進(jìn)程是等待還是立即返回。7/16/202214.4.3 共享存儲(chǔ)區(qū)是UNIX中通信速度最高的一種通信機(jī)制。該機(jī)制可使多個(gè)進(jìn)程共享主存中的某一區(qū)域。同時(shí)要注意，該機(jī)制并未提供同步互斥機(jī)制。用戶要自己處理進(jìn)程間的同步互斥，才能正確通信。7/16/2022共享存儲(chǔ)區(qū)的建立int shmget(key,size,shmflg);key:共享存儲(chǔ)區(qū)的名字。size：大小shmflg：標(biāo)志 返回值為共享存儲(chǔ)區(qū)的描述符shmid7/16