1、2020/7/29,1,UNIX系統(tǒng)的進程系統(tǒng)分析,2020/7/29,2,7.4 進程管理,7.4.1 進程和進程控制塊PCB 7.4.2 進程控制,2020/7/29,3,7.4.1 進程和進程控制塊PCB,1、UNIX系統(tǒng)中進程的概念 在UNIX系統(tǒng)中，進程具有如下特定的含義和特點： （1）一個進程是對一個程序的執(zhí)行。 （2）一個進程的存在意味著系統(tǒng)中存在著一個相應的常駐內存的proc結構，其中包含著該進程的控制信息。 （3）對每一個進程，有一個被稱為user結構的數(shù)據(jù)結構，這個結構中存放該進程的私用控制信息。該結構只有該進程運行時，才會調入內存。 （4）一個進程可以創(chuàng)建或撤消其子進程。

2、 （5）進程是系統(tǒng)進行資源分配的基本單位。,2020/7/29,4,2、進程的結構 UNIX系統(tǒng)中，進程包含三部分內容：進程控制塊、程序段以及數(shù)據(jù)段。下面我們分別對這三部分來進行討論。 （1）進程控制塊PCB 在UNIX系統(tǒng)中，整個系統(tǒng)的活動是以進程為基本單位來組織進行的。為了管理進程的活動，系統(tǒng)為每個進程設立了一個進程控制塊（PCB）來記錄各個進程的狀態(tài)以及與進程相關的數(shù)據(jù)。在UNIX系統(tǒng)中，進程控制塊也是進程是否存在的標志。 因為進程控制塊中包含的信息量很大，所以占用的空間也很大。為了節(jié)省進程控制塊所占的內存空間，UNIX系統(tǒng)把每個進程的進程控制塊分為兩部分：,2020/7/29,5,(a

3、)常駐內存部分，稱proc結構，該結構中包含著進程調度時必須使用的一些主要信息； (b)非常駐內存部分，稱user結構，該結構登記了 進程運行時才要用到的更多的信息，它可以隨用戶的程序和數(shù)據(jù)在內存中換進換出。 UNIX系統(tǒng)將所有進程的proc結構組織到一起，形成一個進程表，也稱為proc數(shù)組，表中的每一個proc結構是該數(shù)組的一個元素，成為該進程表的一個表目。進程表中的proc結構數(shù)量是有限制的，在UNIX系統(tǒng)中最多允許有50個。,2020/7/29,6, UNIX系統(tǒng)的proc結構主要包括以下各項： (a)進程標識符（PID）。它是標識一個進程的標識數(shù)； （b）用戶標識符（UID）。標識擁有

4、該進程的用戶； （c）進程狀態(tài)。記錄該進程的當前狀態(tài)； （d）事件描述符。記錄使進程進入睡眠狀態(tài)的事件； （e）存儲區(qū)位置和長度。指出進程在內存或在外存中的位置及大小。這些信息在進程換進換出以及狀態(tài)轉換時用到； （f）軟中斷信號。記錄其他進程發(fā)來的軟中斷信號； （g）計時域。給出進程的執(zhí)行時間和對資源的利用情況； （h）進程的大小。進程的大小是內核為進程分配存儲空間的依據(jù)； （i）調度參數(shù)，包括優(yōu)先數(shù)等。核心用它們決定進程轉換到核心態(tài)和用戶態(tài)的次序以及占有處理機的次序。,2020/7/29,7, user結構主要包括以下各項： （a）指向proc結構的指針。標識出對應于該user結構的proc

5、結構； （b）真正用戶標識符（real user ID）。它是超級用戶分配給用戶的標識符，以后每次用戶登錄進入系統(tǒng)時，均需送入此標識符； （c）有效用戶標識符（effective user ID）。一般情況下，它與真正用戶標識符相同，但在其它用戶允許的情況下，可用系統(tǒng)調用setuid將它改變?yōu)槠渌脩魳俗R符，以獲得對該用戶的文件進行操作的權力； （d）用戶文件描述符表。記錄了該進程已打開的所有文件；,2020/7/29,8,（e）當前目錄和當前根。給出進程的文件系統(tǒng)環(huán)境； （f）計時器。記錄進程及其子進程在用戶態(tài)和核心態(tài)運行的時間； （g）內部I/O參數(shù)。給出要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、源數(shù)據(jù)或目標數(shù)據(jù)的

6、地址、文件的輸入、輸出偏移量； （h）限制值。對進程的大小及其能“寫”的文件大小的限制； （i）系統(tǒng)調用信息。記錄當前系統(tǒng)調用的參數(shù)、結果、返回值以及錯誤碼等。,2020/7/29,9,（2）數(shù)據(jù)段 分為三部分：進程數(shù)據(jù)區(qū)（PPDA）、用戶的程序和數(shù)據(jù)區(qū)、用戶棧區(qū)。其中，底部為進程數(shù)據(jù)區(qū)，共1024個字節(jié)。 進程數(shù)據(jù)區(qū)又分為兩部分：最底部的289個字節(jié)是進程控制塊的一部分USER結構，它含有進程的更多的信息；另一部分是該進程的系統(tǒng)棧，自頂向下擴展。進程數(shù)據(jù)區(qū)是屬于進程的核心空間的一部分，因此進程的用戶程序部分不能訪問這一部分，只有該進程的系統(tǒng)程序部分才能訪問進程數(shù)據(jù)部分。 數(shù)據(jù)段的頂部是用戶棧

7、區(qū)，物理上是從頂向下擴展。 數(shù)據(jù)段的中間部分是可讀寫的用戶的程序和數(shù)據(jù)區(qū)。,2020/7/29,10,圖 7-3 進程數(shù)據(jù)段結構,2020/7/29,11,（3）正文段 正文段包括該進程所執(zhí)行的所有可共享的、可再入的純代碼和常數(shù)。一個進程的正文段也可以不存在。 UNIX系統(tǒng)為了方便管理，將系統(tǒng)中所有這些只讀的可共享的正文段組織在一個正文表中，在內存中的所有正文段均在這個正文表中有一個對應表目。該表目中包含有該正文段在內存和磁盤上的地址，該段大小和使用此段的進程數(shù)目等信息。該正文表又叫TEXT數(shù)組。 UNIX系統(tǒng)中最多允許在內存中同時存放40個正文段，也就是說TEXT數(shù)組的元素最多為40個。 整

8、個系統(tǒng)中的進程控制如圖7-4所示。,2020/7/29,12,圖 7-4 進程的組成,2020/7/29,13,在UNIX系統(tǒng)中，每個進程都包括兩部分：系統(tǒng)程序部分和用戶程序部分。 當進程在用戶模式下運行時，執(zhí)行的是用戶程序。此時若發(fā)生中斷或陷阱，則轉入核心模式，執(zhí)行系統(tǒng)核心程序。 值得注意的是，UNIX系統(tǒng)核心的所有程序都是作為進程的一部分來運行，它們被包括在每個進程的虛地址空間中。有時，我們把進程的用戶程序部分叫做用戶進程，而把核心程序部分叫做系統(tǒng)進程。在UNIX系統(tǒng)的一個進程中，無論是用戶進程還是系統(tǒng)進程，都是進程的一部分，它們擁有同一個進程控制塊，只不過這兩個進程所執(zhí)行的程序不同，映射

9、的物理地址空間不同，使用的堆棧不同而已。,2020/7/29,14,7.4.2 進程控制, UNIX系統(tǒng)中進程控制子系統(tǒng)主要負責進程同步、進程間通信、存儲管理及進程調度。 1進程控制 UNIX系統(tǒng)中，用戶可以通過一些系統(tǒng)調用對進程進行控制。對應進程的創(chuàng)建、執(zhí)行和自我終止，UNIX系統(tǒng)提供了相應的系統(tǒng)調用fork（）、exec（）和exit（），以便在用戶級上實現(xiàn)上述功能。,2020/7/29,15,7.4.2 進程控制,（1）進程的創(chuàng)建 在UNIX系統(tǒng)中，除了0#進程是在系統(tǒng)引導時被創(chuàng)建外，其他進程都是由父進程通過調用系統(tǒng)原語fork來創(chuàng)建的。 該原語為新建立進程分配一個proc表目并賦予一個

10、唯一的進程標識符pid，此外，內核還將 proc表目初始化。 在UNIX中子進程共享父進程的所有打開文件和當前目錄，但并不共享父進程的內存。所以初始化的主要工作是復制父進程的proc表目中的某些項目以共享其打開的文件，復制正文段和當前目錄表的表目（i節(jié)點），為子進程申請內存并把父進程所有可寫的數(shù)據(jù)段部分復制到內存中去。,2020/7/29,16,（2）進程的執(zhí)行 子進程被建立后繼承了父進程的正文段和數(shù)據(jù)段，這就限制了子進程可以執(zhí)行的程序規(guī)模。為了擴充子進程的執(zhí)行能力，使它可以執(zhí)行不屬于父進程的正文段和數(shù)據(jù)段，UNIX系統(tǒng)提供了一個系統(tǒng)調用原語exec來執(zhí)行一個新的文件。這使得該進程以在此文件中

11、指出的新的正文段和數(shù)據(jù)段來調換當前的正文段和數(shù)據(jù)段。這個操作僅改變進程執(zhí)行的程序，而并不改變進程的標識符，它在進程樹中的位置也未變。,2020/7/29,17,（3）進程的終止 在UNIX系統(tǒng)中，一般的用戶進程在完成其任務后應盡快予以撤消，以便及時收回其占用的資源。為了及時回收資源并減少父進程的干預，UNIX系統(tǒng)通過系統(tǒng)調用原語exit來實現(xiàn)自己的終結。 進程被終止時，關閉所有文件，將當前目錄項的訪問計數(shù)減1，釋放正文段。將進程數(shù)據(jù)ppda寫入盤對換區(qū)，釋放數(shù)據(jù)段空間，喚醒父進程和1進程，最后，自我終止進程放棄處理機，內核再調度另一進程執(zhí)行。,2020/7/29,18,2進程的同步和通信 UN

12、IX中對可寫的公用變量通常只允許系統(tǒng)進程訪問。那么這些系統(tǒng)進程間如何實現(xiàn)臨界段互斥執(zhí)行呢。其主要的方法是： （1）UNIX的調度策略規(guī)定在系統(tǒng)進程執(zhí)行期間發(fā)生中斷或陷阱時，不進行進程的轉換調度。只有在用戶程序執(zhí)行過程中被中斷或陷阱、并且在處理中斷后返回時，才可以進行進程的調度以重新分配處理機。所以在系統(tǒng)進程執(zhí)行期間不會有別的進程操作插入。 （2）提高臨界段等代碼段的處理機中斷優(yōu)先級以屏蔽某些類別的中斷，用來防止在系統(tǒng)進程中插入中斷和陷阱處理程序時，可能改變進程的狀態(tài)或修改公共數(shù)據(jù)等情況。,2020/7/29,19,系統(tǒng)進程還可利用系統(tǒng)調用sleep和wakeup原語實現(xiàn)進程間同步。 sleep

13、原語使調用者進程以指定的原因和優(yōu)先數(shù)睡眠（阻塞） wakeup原語則喚醒在指定原因上睡眠的所有進程。 這兩個原語，用戶進程是不能使用的，但用戶進程之間可以利用核心程序提供的軟中斷信號機制來實現(xiàn)少量信息的傳輸和同步。它是某一個進程向另一個與之相關的進程發(fā)送一個019之間的數(shù)（放在接收進程的proc結構p-sig中）。UNIX系統(tǒng)的進程通信功能是很弱的，為了滿足協(xié)同進程間的通信需要而設置了這一最簡單的通信功能。,2020/7/29,20,4進程調度與存儲管理 在UNIX系統(tǒng)中進程調度的功能是由一個專門的進程0#進程來負責的，由于UNIX系統(tǒng)的進程調度的主要功能是響應分時用戶，所以0#進程包括兩部分

14、任務： （1）把進程的映象從內存換出到磁盤； （2）分配處理機。,2020/7/29,21, UNIX系統(tǒng)的進程調度是按照其優(yōu)先級的高低進行調度的，每次調度擁有最高優(yōu)先級的進程去占有處理機。 每一個進程從它被創(chuàng)建時起，就擁有了一個隨時間動態(tài)變化的優(yōu)先級。 系統(tǒng)進程的優(yōu)先級高于用戶進程的優(yōu)先級，其最初的優(yōu)先級取決于進程所等待的事件，事件優(yōu)先級的排列次序為：磁盤事件，終端事件，時鐘事件和用戶進程事件。 用戶進程的優(yōu)先級是基于其所使用了的處理機時間的多少而動態(tài)地變化，使用處理機時間越長，優(yōu)先級越低。 優(yōu)先級高的進程優(yōu)先得到處理機。UNIX每秒為每個用戶進程計算一次優(yōu)先級，優(yōu)先數(shù)愈小，優(yōu)先級愈高。,2020/7/29,22, 在分時系統(tǒng)中，各交互進程需要經(jīng)常在內存和磁盤之間進行交換。實際上，任何一個待執(zhí)行的進程，如果它不能在內存中占據(jù)必需的容量，它是不能被執(zhí)行的。然而，內存是一種有限卻很昂貴的資源，它不可能容納系統(tǒng)中所有活動的進程。 為使內存的緊張狀況得到緩解，UNIX系統(tǒng)采用一種交換策略。一個在內存中非運行狀態(tài)的進程，其進程的映象將被從內存中換出而存入磁盤的對換區(qū)中。而一個被選中運行的磁盤上的就緒進程，其映象可以被換入內存。在這兩種情況下，均有內存或磁盤空間的分配和釋放問題。 在UNIX中內存的磁盤空間的分配和釋放模塊是相同的，所使用的分配算法是最先適應法。,2020/