第五讲 UNIX 进程调用和进程存储

第五讲 UNIX进程调用和进程存储

概述 UNIX系统是分时多任务、多道程序环境系统。它采用时间片轮转转方式为系统中的多个用户的多道程序提供服务。为了跟踪计算机并行活动的状态及并发程序对资源的共享使用，提出了进程的概念。

提纲 1 进程基本概念 2 UNIX系统中的进程 3 UNIX系统进程调度和管理 4 存储管理基本 5 UNIX进程的存储管理 6 UNIX进程管理的系统调用

1 进程的基本概念 1．进程与程序（a）程序：程序代码，静态进程：可以看作某种特定任务的程序在一个数据集合上的一次具体的活动，动态。（b）进程与程序相比具有动态性、独立性、并发性等特点。

PCB 程序段＋数据结构集 1 进程的基本概念 2．进程的描述进程的结构＝进程描述信息＋进程实体 PCB:包括进程的描述信息、控制信息及进程使用资源信息、处理器现场保护结构等，其中内容是进程动态特征的集中反映。OS通过PCB感知一个进程的存在。程序段：进程需要完成功能的程序代码。数据结构集：进程的程序执行时要完成功能的程序代码。

两状态进程模式： 1 进程的基本概念 3．进程的状态两状态进程模式中包含的进程状态转换过程：进程开始；调度运行；暂停运行；进程结束

1 进程的基本概念 提交调度释放创建就绪运行退出超时事件发生新建事件等待阻塞五状态进程模式：五状态进程模式中包含的进程状态转换过程：创建新进程；进程提交；调度运行；释放；超时；事件等待；事件发生

1 进程的基本概念 4．进程控制主要实现进程状态的转换和并发进程的管理 1）原语不可分解，不间断，不可并发执行的程序段 2）临界区指共享某个资源时，不允许多个并发的程序交叉执行的一段代码。并发产生的原因：随机发生，程序需要互不干涉。 3）进程互斥 4）信号量描述共享资源使用情况的数据结构 5）进程同步有两种方式：互斥：我在，你不能在间接制约关系同步：你不来，我不能走直接制约关系

2 UNIX中的进程 进程的引入使操作系统可以描述和掌握程序的动态执行过程,传统的UNIX系统是基于进程管理的系统,虽然在现代UNIX系统中又增加了线程的概念,但进程仍然是操作系统管理的主要单元。与其他操作系统相比，UNIX系统对进程的描述和管理具有自己的特色。

2 UNIX中的进程 1．UNIX系统进程创建机制 Linux系统的启动过程：现假定系统已经完成了正常安装。打开计算机电源，计算机首先从固化在主板ROM中的BIOS开始启动，BOIS对计算机的硬件进行一系列的检测，然后从指定设备的指定位置，把boot loader读入系统内存并把控制权转交给boot loader，接着，在boot loader的控制下，系统启动代码被读入内存并进行初始化工作，控制权转交给系统初始化代码后，引导整个操作系统进入内存并控制整个系统，设置各种表格和数据结构，初始化可运行队列的时候建立系统的0号进程，然后创建系统最初的进程——init进程，该进程的进程号为1。

2 UNIX中的进程 1．UNIX系统进程创建机制 init进程启动内核交换线程等系统内核线程，然后根据系统提供的参数，启动相应的终端管理进程，在每一个终端屏幕上显示login字样，等待用户的登录，整个启动过程到此结束，参看图5.1。用户登录过程中，init进程启动login进程对用户的账号和密码进行验证，通过之后，由login进程启动shell命令解释进程，为用户提供操作系统的接口，接受用户的输入，解释执行用户命令，执行过程中又会创建新的进程。

2 UNIX中的进程 图5.1 Linux系统启动过程

2 UNIX中的进程 1．UNIX系统进程创建机制 Linux系统的所有进程共同构成一个完整的进程树从init进程开始， init进程是所有其他进程的祖先。init产生终端管理进程mingetty，mingetty产生login，login产生用户的shell进程，然后shell产生其他用户进程，因此，其他所有进程都是由init或者它的子孙创建而来。同样，在进程结束之后，父进程也要负责该进程的最后回收工作，如果某一个进程创建了子进程之后，由于某种原因先于子进程终止，由它创建的子进程成为孤儿进程，孤儿进程的祖父进程就要负责回收工作，依此类推。最后，在系统要关机之前，init进程还要负责结束所有的进程，卸载所有文件系统并终止处理器的指令执行。

2 UNIX中的进程 1．UNIX系统进程创建机制 Linux源代码树中arch/i386/boot下的这几个文件：bootsect.S、setup.S、video.S等。其中bootsect.S是生成引导扇区的汇编源码，它完成加载动作后直接跳转到setup.S的程序入口。 setup.S的主要功能就是将系统参数（包括内存、磁盘等，由BIOS返回）拷贝到特别内存中，以便以后这些参数被保护模式下的代码来读取此外，setup.S还将video.S中的代码包含进来，检测和设置显示器和显示模式。最后，setup.S将系统转换到保护模式，并跳转到 0x100000。

2 UNIX中的进程 1．UNIX系统进程创建机制 0x100000这个内存地址存放的是解压后的内核。当CPU跳到0x100000时，将执行"arch/i386/kernel/head.S"中的startup_32，它也是vmlinux的入口，然后就跳转到start_kernel()中去了。start_kernel()是"init/main.c"中的定义的函数，start_kernel()中调用了一系列初始化函数，以完成kernel本身的设置。start_kernel()函数中，做了大量的工作来建立基本的Linux核心环境。如果顺利执行完start_kernel()，则基本的Linux核心环境已经建立起来了。

2 UNIX中的进程 1．UNIX系统进程创建机制在start_kernel()的最后，通过调用init()函数，系统创建第一个核心线程，启动了init过程。核心线程init()主要是来进行一些外设初始化的工作的，包括调用do_basic_setup()完成外设及其驱动程序的加载和初始化。并完成文件系统初始化和root文件系统的安装。此外，当do_basic_setup()函数返回init()，init()又打开了/dev/console设备，重定向三个标准的输入输出文件stdin、stdout和stderr到控制台，最后，搜索文件系统中的init程序（或者由init=命令行参数指定的程序），并使用 execve()系统调用加载执行init程序。到此init()函数结束，内核的引导部分也到此结束了。

2 UNIX中的进程 1．UNIX系统进程创建机制 init程序需要读取配置文件/etc/inittab。 inittab是一个不可执行的文本文件，它有若干行指令所组成。在init的配置文件中有这么一行：si::sysinit:/etc/rc.d/rc.sysinit 它调用执行了/etc/rc.d/rc.sysinit。 rc.sysinit是一个bash shell的脚本，它主要是完成一些系统初始化的工作，rc.sysinit是每一个运行级别都要首先运行的重要脚本。

2 UNIX中的进程 1．UNIX系统进程创建机制在rc.sysinit执行后，将返回init继续其它的动作，通常接下来会执行到/etc/rc.d/rc程序。以运行级别５为例 l5:5:wait:/etc/rc.d/rc 5 　　这一行表示以5为参数运行/etc/rc.d/rc，/etc/rc.d/rc是一个Shell脚本，它接受5作为参数，去执行/etc/rc.d/rc5.d/目录下的所有的rc启动脚本，/etc/rc.d/rc5.d/目录中的这些启动脚本实际上都是一些链接文件，而不是真正的rc启动脚本，真正的rc启动脚本实际上都是放在/etc/rc.d/init.d/目录下。而这些rc启动脚本有着类似的用法，它们一般能接受start、stop、restart、status等参数。 init在等待/etc/rc.d/rc执行完毕之后，将在指定的各个虚拟终端上运行/sbin/mingetty，等待用户的登录。

2 UNIX中的进程 1．UNIX系统进程创建机制 Linux的账号验证程序是login， login会接收mingetty传来的用户名作为用户名参数。 login将搜索/etc/passwd以及/etc/shadow来验证密码以及设置账户的其它信息。 login程序成功后，会向对应的终端再输出最近一次登录的信息(在/var/log/lastlog中有记录)，并检查用户是否有新邮件(在/usr/spool/mail/的对应用户名目录下)。然后开始设置各种环境变量：对于bash来说，系统首先寻找/etc/profile脚本文件，并执行它；然后如果用户的主目录中存在.bash_profile文件，就执行它，在这些文件中又可能调用了其它配置文件，所有的配置文件执行后，会出现命令行提示符，到此整个启动过程就结束了。

2 UNIX中的进程 • 2．UNIX中进程的描述 • 运行中的每个进程都有一个独立的运行环境，这个环境是进程生存的基础，即进程上下文。 • UNIX系统进程上下文包含的内容有： • proc结构和user结构 • 用户栈和系统栈 • 正文段和数据段其中proc结构是关联进程上下文中的核心模块，它是UNIX系统进程管理的关键数据结构，它与其他模块间构成的关联关系如图5.2所示。

2 UNIX中的进程 图5.2 UNIX进程上下文结构图

2 UNIX中的进程 • 2．UNIX中进程的描述 • 不同版本的UNIX系统其进程上下文数据结构描述可能略有不同，但它们的基本内容和数据结构在系统中的作用是一致的。其中 • proc和user结构形成了操作系统管理中的进程控制块PCB。 • 进程的正文段中包含的是进程的程序代码和使用常量，它是可以被多哥进程访问的共享区域。 • 数据段中包含的是进程的私有信息，是用户态进程访问的区域。 • 系统栈是进程在系统态执行时完成子程序嵌套和中断处理时使用的信息保留，它只能被系统态进程所使用。 • 用户栈的作用与系统栈类似，只是它中间包含的内容是进程在用户态执行时子程序嵌套和中断处理时使用的信息。

2 UNIX中的进程 2．UNIX中进程的描述 proc结构：为了对系统中的进程进行管理，在UNIX系统中设立了进程管理表以记载进程的基本情况。proc结构中保存的被容就是每个进程在系统进程管理表中的登记信息。因为进程表是常驻内存的，所以proc结构也经驻内存。proc包括的内容，比如：进程的状态；进程的用户状态信息；进程的标识符；进程在存储区中的位置和大小；进程的调度参数；软中断信号项；进程执行时间和系统资源使用情况；user结构存放的起始地址；进程页表指针；进程被挂起时事件描述符的集合

2 UNIX中的进程 2．UNIX中进程的描述 user 结构：进程的user结构是对进程内部特征作进一步描述的信息。user结构中包含的是进程私有信息及数据，unix系统规定这部分信息不常驻内存，只有当进程被执行时才调入内存。其中主要的内容包括：指向proc结构的指针；当前系统调用；与用户标识有关的数据项；一些相关的输入、输出项；进程打开文件的描述符；中断、软中断参数；出错信息；进程各段的长度；文件权限屏蔽项；进程交互的有关数据；

2 UNIX中的进程 2．UNIX中进程的描述寄存器的存储机构：进程运行时需要保存的常用寄存器的内容有：程序计数器PC的内容；处理机状态寄存器PSW;栈指针SP内容；通用寄存器中的内容；进程包含的段：共享正文段；数据段；栈段

3 UNIX进程调度和管理 • 进程调度和管理的主要任务与需要解决的关键问题： • 任务：在一个多个进程并行运行的并行环境中，如何合理、有效的管理这些进程，使它们能够顺利、并行的运行； • 需要解决的关键问题： • 在进程生命期内，进程的调度必会及到进程状态的改变，进程状态应当有哪些？ • 调度的条件？调度的策略？ • 调度的时机？ • 调度的具体完成？ • 如何给这些进程合理地分配资源？包括存储资源、处理力资源

3 UNIX进程调度和管理 3.1UNIX进程状态及其转换：在UNIX中，一个进程从被激活到执行完以后被注销，它的生命周期中会出现多种状态，这些状态的描述信息都记录在proc结构中，随着进程状态的改变proc结构中的这些数据项也会改变，UNIX系统可以随时掌握该进程运行的状况。进程的状态转换过程是通过系统中一系列操作原语或系统的核心函数完成的。

3 UNIX进程调度和管理 LINUX进程状态转换：

3 UNIX进程调度和管理 • LINUX进程状态转换： • 运行状态（TASK_RUNNING）:当进程正在被CPU执行，或已经准备就绪随时可由调度程序执行，则称该进程为处于运行状态（running）。进程可以在内核态运行，也可以在用户态运行。 • 就绪状态：当系统资源已经可用时，进程就被唤醒而进入准备运行状态，该状态称为就绪态。这些状态（图中中间一列）在内核中表示方法相同，都被称为处于TASK_RUNNING状态。 • 可中断睡眠状态（TASK_INTERRUPTIBLE）当进程处于可中断等待状态时，系统不会调度该进行执行。当系统产生一个中断或者释放了进程正在等待的资源，或者进程收到一个信号，都可以唤醒进程转换到就绪状态（运行状态）。 • 不可中断睡眠状态（TASK_UNINTERRUPTIBLE）与可中断睡眠状态类似。但处于该状态的进程只有被使用wake_up()函数明确唤醒时才能转换到可运行的就绪状态。

3 UNIX进程调度和管理 • LINUX进程状态转换： • 暂停状态（TASK_STOPPED）当进程收到信号SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN或SIGTTOU时就会进入暂停状态。可向其发送SIGCONT信号让进程转换到可运行状态。 • 僵死状态（TASK_ZOMBIE）当进程已停止运行，但其父进程还没有询问其状态时，则称该进程处于僵死状态。

3 UNIX进程调度和管理 • 3.2 UNIX进程调度算方法与策略 • 操作系统中管理进程状态转换的模块被称为“进程调度程序”。在UNIX系统中完成进程状态转换的程序是0号进程，主要负责进程的调度及进程在内外存交换中的有关操作。 • 例如： • 对参与竞争处理器并且已具备执行条件的进程进行分析和裁决 • 对选中的进程做处理器控制权转交 • 管理进程运行中各种状态的转换 • 完成进程在系统内外存之间的交换

3 UNIX进程调度和管理 3.2 LINUX进程调度算方法与策略调度时机调度函数是Linux系统中执行最为频繁的一个，它的主要目标就是选择合适的进程占有CPU，实现程序的多道执行，充分提高CPU的利用率。调度函数通过对每个进程PCB中相关信息查询，按照一定的算法，在可运行队列选择进程。如果选中的进程并不是当前占有处理机的进程，调度函数还负责保存当前进程的执行现场（进程上下文），然后恢复选中进程的进程上下文使之顺利执行。 Linux系统中没有设置专门的调度进程，在需要调度的时候，调用一个特定的调度函数来完成调度功能。一般来讲，Linux系统中的进程调度发生的时机有下面几种。

3 UNIX进程调度和管理 • 可以归结为两类时机， • 一是进程本身自动放弃处理机发生调度，这包括进程转换到等待和僵死状态，这类调度是用户进程可以预测的； • 比如：当正在执行的进程申请某种暂时无法获得的资源进程转入等待状态；当正在执行的进程完成了任务或者得到特定的信号而退出，转入僵死状态；这两种进程状态转换完成后，进程主动放弃CPU资源，调用调度函数，选择新的进程来使用CPU。 • 二是由核心态转入用户态时发生调度，这类调度发生最为频繁。系统调用完成和内核处理完中断之后系统是由核心态转入用户态，

3 UNIX进程调度和管理 3.2 LINUX进程调度算方法与策略调度算法 Linux系统采用相当简单但效率很高的调度算法，具有很好的响应特性，它提供了三种调度算法：POSIX操作系统标准规定的用于实时进程的先进先出算法（FIFO，First In First Out）和轮转算法（RR，Round Robin），用于普通进程的可抢占式动态优先级算法（Preemptive Scheduling）。

3 UNIX进程调度和管理 3.2 LINUX进程调度算方法与策略 Linux系统中，非实时进程的调度采用抢占式动态优先级算法。每个进程拥有不变的静态优先级和可变的动态优先级，调度函数根据各进程的优先级来确定权值，拥有最大权值的进程被选中执行，如果多个进程具有相同权值，则选取排在可运行队列最前面的那一个。每一个进程都分配一定的时间片，时间片使用完之后，系统转入调度函数，等所有非实时进程的时间片都使用完之后，再按照各自的优先级给每个进程重新分配时间片。

3 UNIX进程调度和管理 UNIX SYSTEM V 动态优先级多级反馈循环调度法公式： 2．计算公式 P-pri＝P-cpu＋PUSER（25）＋P-nice＋NZERO（20）优点： 1）创建新进程，cpu＝0， P-pri值较小，优先级较大 2）使用越多，P-cpu越大，P-pri值较大，优先级较小 3）使用越少，P-cpu越小，P-pri值较小，优先级较大

3 UNIX进程调度和管理 • 调度过程： • Linux系统的调度过程简洁而高效。整个调度过程大概可以分为五个部分。 • 首先检测中断，如果有中断运行时，调度过程到此为止，直接退出，如果没有中断运行，关中断，在调度的过程中将不再允许中断。 • 其次处理系统的内核例程。 • 然后对当前进程做相关处理：如果当前进程是时间片用完的进程按照轮转法调度，系统重新赋予时间片并把它移到队列的尾部；如果进程因为等待某个事件而转入等待状态引起调度，调度过程中发现事件已经发生，进程仍然转入就绪状态；如果进程处于其他非可运行态的话，就要从可运行队列中删除。这些都是为开始调度而进行的准备工作。 • 接着调度函数遍历整个可运行队列，从中找到最值得运行的进程，该进程的权值（goodness）最大。如果该进程不是当前进程，系统需要进行进程上下文切换，如果正好就是当前进程，这一部分就可以跳过去。 • 最后打开中断，选中的进程开始执行。

计算机的存储结构图： 4 进程存储管理存储管理的主要功能：（1）存储空间的分配，回收；（2）地址变换；（3）存储共享和保护；（4）存储器扩充（5）提高主存的利用率

4.1 进程存储技术 程序以进程的方式存放于内存中，CPU在内存中实现进程之间的切换调度。采用一些策略和算法来分配存储空间，使进程在内存和磁盘之间来回切换。此过程为进程的存储管理过程。 1．连续分配存储技术操作系统为运行的进程分配一个连续的内存空间 (a) 单一连续分配存储方式：

4.1 进程存储技术 1．连续分配存储技术操作系统为运行的进程分配一个连续的内存空间 (b)分区式连续存储方式：

4.1 进程存储技术 2．覆盖和交换技术（1）覆盖目的：在较小的可用内存中运行较大的程序原理：一个程序的几个代码段或数据段按照使用的先后顺序以覆盖方式占用共享内存区域。原则：将程序中必要的数据放在常驻内存中。将不经常用的放在交换区。将不存在调用关系的模块可以采用覆盖方式共享内存分区。（2）交换：在多个程序并发执行的时候，将暂时不执行的代码放入交换区，从而可以用更大的内存空间装入新的进程。

页号页面号 0 5 1 76 2 12 4.1 进程存储技术 3．页式存储管理解决内存碎片，提高内存的利用率 1）基本思想：进程逻辑空间划分为若干页，内存划分为若干物理页。进程按照页的大小分配内存空间，可以连续或不连续分配。静态页式管理：进程在执行前将程序段和数据段一次性装入内存的各个页面中。数据结构：进程页表：每个进程都有进程页表，逻辑页号对应物理页面号

进程号 请求数页表地址页表长度状态 1 20 1022 20 已分配用于地址转换 4.1 进程存储技术请求表：系统有一个请求表，可以放到PCB描述中存储页面表：系统有一张，用于描述内存各个页面的分配情况动态页式管理：只需要将执行部分调入（缺页中断则调入），动态管理程序各部分在内存中的调入调出。

4.1 进程存储技术 2）页式管理的地址变换

4.1 进程存储技术 4．段式存储管理 1）将内存分为不同的分区，视为二维空间，进程按照逻辑内容分段。 2）特点：以段为单位分配内存分区，段可以不连续。每个段可以占用一个内存分区。内存管理采用动态分区方法，采用缺段中断处理。 3）数据结构：进程段表

4.2 虚拟存储技术 1．局部性原理程序执行过程中，在较短的时期内，所执行的指令地址以及操作数地址分别局限在一个区域内。时间局限性：当前指令执行与下条指令执行，数据的当前访问和下次访问集中在一个时间段中。空间局部性：当前访问指令和临近访问的指令，当前访问的数据和临近访问的数据集中在一个较小区域内。原因：大部分程序在空间上顺序执行，在时间上循环执行

4.2 虚拟存储技术 2．虚存的原理只需将当前需要执行的部分页和部分段读入到内存中就可让程序开始执行。利用缺页和缺段请求，动态实现存储管理。 3．特点：存储空间变大内存＋外存，支持程序的并发执行,采用部分交换。 4．虚拟存储器的种类 1）页式虚存 2）段式虚存 3）段页式虚存

5 UNIX进程存储管理 UNIX系统采用交换和请求调页两种策略完成存储管理 1．交换策略早期内存和交换区之间传送整个进程费时，影响效率现代部分交换关键信息，PCB不参与交换，常驻内存。 0号进程负责调度和交换工作，无限循环的执行。数据结构映射图来管理交换设备的空间资源，包含可分配的资源地址及该地址可用的资源单位。

5 UNIX进程存储管理 2．请求调页策略内存分页外存分页进程运行时系统只在内存中保留当前活动进程的某些页面，而不放入整个进程页面缺页中断虚存技术不受空间限制为了提高运行效率，核心进程提供了一个工作区，存放内存中最近被访问过的页面集合。 3．UNIX系统中进程存储管理结构 Proc ＋ User ＝ PCB 放内存中放外存中

8 UNIX进程管理的系统调用 wait parent parent fork exit child child child exec

第五讲 UNIX 进程调用和进程存储