操作系统之进程与进程控制

一、进程概念

引子 程序运行在并发环境中的问题

（1）运行过程不确定
（2）结果不可再现

1.进程定义

　　进程是程序在某个数据集合上的一次运行活动。数据集合是指软硬件环境，多个进程共存或共享的环境。

2.进程的特征

（1）动态性
　　进程是程序的一次执行过程，动态产生且动态消亡；
（2）并发性
　　进程同其他进程一起向前推进；
（3）异步性
　　进程按照各自的速度向前推进（每一个进程按照自定逻辑，不考虑其他进程的运行，各自占用CPU）；
（4）独立性
　　进程是系统分配资源和调度CPU的单位（但是有了线程后，操作系统调度CPU的单位就变成了线程）。

3.进程与程序的区别

（1）进程是动态的：程序的一次执行过程；
（2）程序是静态的：一组指令的有序集合；
（3）进程是暂存的：在内存中短期驻留；
（4）程序是长存的：可以在存储介质上长期保存；
（5）一个程序可能有多个进程。

4.进程的分类

（1）按照使用资源的权限进行分类
　　①系统进程：系统内核相关的进程；
　　②用户进程：运行于用户态的进程。
（2）按照对CPU的依赖性进行分类
　　①CPU型进程：主要用于计算；
　　②I/O型进程：主要用于I/O操作。

二、进程状态

1.进程的状态

（1）运行状态（Running）
　　进程已经占用CPU，在CPU上运行。
（2）就绪状态（Ready）
　　具备运行条件但是由于没有CPU可用，所以暂时不能运行。
（3）阻塞状态（Block）也叫等待状态（Wait）
　　由于等待某项服务完成或者等待某个信号而不能运行的状态，比如等待系统调用，I/O操作等等。

2.进程的三态模型

 

（1）就绪->运行：进程调度；
（2）运行->就绪：时间片到或者被强占；
（3）运行->阻塞：请求服务后等待响应，或者等待某个信号的到来；
（4）阻塞->就绪：请求的服务已经完成，或者等待的信号已经到来。

3.进程的五态模型

 

（1）新建状态
　　用户向系统提交程序后，在进程建立之前的过程。
（2）终止状态
　　进程撤出系统的过程。
4.Linux中的状态定义
（1）可运行态
　　①就绪：在就绪队列中等待调度；
　　②运行：正在运行。
（2）阻塞（等待）态
　　①浅度（可中断）阻塞：能被其他进程的信号或者时钟唤醒；
　　②深度（不可中断）阻塞：不能被其他进程通过信号和时钟唤醒，一般是用来请求文件服务，I/O服务，系统服务。
（3）僵死态
　　进程终止运行，释放大部分资源。
（4）挂起态
　　进程被挂起，暂停。可用于调试进程。

三、进程控制块（Process Control Block，PCB）

1.进程控制块的定义

（1）描述进程状态、资源、与相关进程关系的数据结构；
（2）PCB是进程的标志。对于操作系统来说，它通过PCB来感知和管理进程；
（3）进程创建时会建立PCB，进程撤出时会销毁PCB。

2.PCB中的基本成员

（1）name（ID）：进程名称（标识符，0~32768的正整数）；
（2）status：状态；
（3）next_pcb：指向下一个PCB的指针；
（4）start_addr：程序地址；
（5）p_priority：优先级；
（6）cpu status：现场保留区（堆栈）；
（7）comminfo：进程通信；
（8）processfamily：家族；
（9）own resource：资源。
　　不同的操作系统PCB成员会有所区别，但是一些基本成员都是相同的，可能只是命名上的区别而已。进程控制块应包含以下三类信息：标识信息、现场信息、控制信息。

3.Linux中的进程控制块

Linux的进程控制块一般包含如下信息：
（1）进程状态；
（2）调度信息；
（3）标识符；
（4）内部进程通信信息；
（5）链接信息；
（6）时间和计时器；
（7）文件系统；
（8）虚拟内存信息；
（9）处理器信息。

4.进程的切换

（1）进程的上下文

　　Context，指进程运行环境，CPU环境（比如各个寄存器的取值）等等。进程的上下文由三部分组成：用户级上下文（程序、数据、共享存储区、用户栈，它们占用进程的虚拟地址空间）、寄存器上下文（由各个寄存器组成）、系统级上下文（PCB、核心栈等）。
（2）进程切换过程
　　①进程被从堆栈调度到CPU运行；
　　②进程被从CPU调度到堆栈暂停运行。

四、进程控制的概念

1.进程控制的概念

　　在进程生存期间，对其全部行为的控制。典型的控制行为有创建进程、阻塞进程、唤醒进程、撤销进程。

2.进程控制行为之一——进程创建

（1）功能
　　创建一个具有指定标识的进程。
（2）参数
　　进程标识、优先级、进程起始地址、CPU初始状态、资源需求等等。
（3）创建进程的过程
　　①创建一个空白PCB；
　　②获得并赋予进程标识符ID；
　　③为进程分配空间；
　　④初始化PCB；
　　⑤把进程插入到相应的进程队列，一般放到就绪队列中。

3.进程控制行为之二——进程撤销

（1）功能
　　撤销一个指定的进程，收回进程所占用的资源，撤销该进程的PCB。
（2）进程撤销的时机/时间
　　①正常结束；
　　②异常结束；
　　③外界因素。
（3）参数
　　被撤销的进程名（ID）。
（4）进程撤销的过程
　　①在PCB队列中找到要撤销进程的PCB；
　　②获取该进程的状态；
　　③若该进程处于运行态，则立即终止该进程（先检查该进程是否有子进程，若有子进程，则先撤销子进程，递归执行此操作）；
　　④释放进程占有的资源；
　　⑤将进程的PCB从PCB队列中移除。

4.进程控制行为之三——进程阻塞

（1）功能
　　阻塞进程的执行。
（2）阻塞的时机/事件
　　①请求系统服务：操作系统不能立即满足进程的请求，导致进程不能满足运行条件；
　　②启动某种操作：进程启动某操作，阻塞等待该操作完成（比如进行I/O操作）；
　　③新数据尚未到达：该进程要获得另外一个进程的中间结果，该进程需要等待另一个进程运算结束；
　　④进程正常结束：进程完成任务后，自我阻塞，等待新任务到达。
（3）参数
　　阻塞原因。
（4）进程阻塞的实现
　　①停止运行；
　　②将PCB“运行态”改为“阻塞态”；
　　③出入相应原因的阻塞队列；
　　④转到调度程序（把系统控制权交给调度模块）。

5.进程控制行为之四——进程唤醒

（1）功能
　　唤醒处于阻塞队列中的某个进程。
（2）引起唤醒的时机/事件
　　①系统服务满足进程要求；
　　②I/O事件完成；
　　③新数据到达；
　　④进程向系统或I/O提出新请求（服务）。
（3）参数
　　进程ID。

6.进程控制原语

　　由若干指令构成的具有特定功能的函数，具有原子性，其操作不可分割。以上四种进程控制行为（创建、撤销、阻塞、唤醒）都被封装为原语，以保证其运行的完整性。

五、Linux下的进程控制

1.创建进程

　　创建进程的函数原型是pid_t fork(void);
　　pid_t是一个整数类型，即fork()函数会返回新进程的ID号（0~32768的整数）。
　　例如：pid_t pid = fork();

注意：
（1）新进程是当前进程的子进程。
（2）父进程和子进程
　　①父进程：fork()的调用者；
　　②子进程：新建的进程。
（3）子进程是父进程的复制（相同的代码，相同的数据，相同的堆栈），除了ID号和时间信息外，两者完全相同。
（4）子进程和父进程可以并发运行。

请问下面的程序会输出什么结果？

//文件名为test.c
int main(void)
{
    fork();
    printf("Hello World!\n");

    return 0;
}

 

答案：

　　

　　一个是子进程输出的，一个是父进程输出的。

请问下面的程序会输出什么结果？

//文件名为fork_2.c
int main(void)
{
    pid_t pid;
    pid = fork();
    
    if(pid == 0)
    {
        printf("pid == 0\n");
    }
    else
    {
        printf("pid != 0\n");
    }

    return 0;
}

 

答案：
　　

　　为什么if和else两个分支都被执行了呢？

　　因为fork()函数执行后，创建了一个新的进程，子进程是父进程的复制，所以相同的代码会执行两次。在子进程中fork()函数会返回0，在父进程中，fork()函数会返回子进程的id号。所以在子进程中，会执行if分支，在父进程中，会执行else分支。但谁先谁后不确定。

2.fork()函数的执行步骤

　　由于子进程是父进程的复制，所以子进程中也会有创建子进程的语句，如果不加以限制，就会形成递归创建，但实际上并不是这样的。
　　实际流程是：父进程创建了子进程后，子进程中“创建进程”语句及其前面的语句都不再执行。并发运行的是fork（）语句后的语句。

　　 

 

在linux的源码中我们可以找到fork函数：

//linux内核中的fork函数
...
copy_files(clone_flags,p);    //克隆文件
copy_fs(clone_flags,p);    //克隆文件系统
copy_mm(clone_flags,p);    //克隆内存信息
...

　　我们可以看到有三条语句，用于拷贝进程的所有信息，这也解释了为什么说子进程是父进程的复制。

3.子进程如何执行与父进程不同的功能。

　　Linux中 ，init进程（初始化进程）是所有其他进程的父进程，那么是不是就说所有的进程都执行与init进程相同的功能呢？并不是。Linux中某些子进程和父进程的执行并不是完全相同的。它是如何做到的呢？这是因为exec函数簇的存在，它是若干函数的集合。其功能是让子进程具有和父进程完全不同的新功能。

4.一个进程控制的实例

　　编写一个代码，创建两个子进程，第一个子进程打印“I am the 1st subprocess!”，第二个子进程打印“I am the 2rd subprocess”，父进程打印“I am the parent process”。要求实现先打印第一个子进程的内容，再打印第二个子进程的内容，最后打印父进程的内容。

int main()
{
  int p1, p2; //进程ID
 
  p1 = fork();
  switch(p1)
  {
    case -1:  //进程创建失败时执行下列语句，因为进程创建失败fork函数会返回-1
        printf("Error\n");  
        exit(1);
    case 0:  //子进程中执行下列语句，因为在子进程中fork函数会返回0
        execl("/bin/echo","echo", "I am the 1st subprocess!", NULL);  //使用exec函数簇中的execl函数将子进程一的功能进行改造
        exit(1);
    default:  //父进程中执行下列语句，因为在父进程中fork函数会返回子进程的ID号（大于0，小于32768）
        wait(NULL);  //用于进程同步，wait函数的作用是：父进程在此处暂停运行，等待一个子进程结束后，再从此处继续向下运行
        break;
  }
 
  p2 = fork();
  switch(p2)
  {
    case -1:  //进程创建失败时执行下列语句，因为进程创建失败fork函数会返回-1
        printf("Error\n");
        exit(1);
    case 0:  //子进程中执行下列语句，因为在子进程中fork函数会返回0
        execl("/bin/echo", "echo", "I am the 2rd subprocess", NULL);  //使用exec函数簇中的execl函数将子进程二的功能进行改造
        exit(1);
    default:  //父进程中执行下列语句，因为在父进程中fork函数会返回子进程的ID号（大于0，小于32768）
        wait(NULL);  //用于进程同步，wait函数的作用是：父进程在此处暂停运行，等待一个子进程结束后，再从此处继续向下运行
        break;
  }
 
  printf("I am the parent process\n");
 
  return 0;
}

 

运行结果：