操作系统原理——系统进程简析

1、程序(program)是这样一系列指令的所构成的集合，程序大多数时候被存储为可执行的文件。进程是程序的一个具体实现，是执行程序的过程。同一个程序可以执行多次，每次都可以在内存中开辟独立的空间来装载，从而产生多个进程。不同的进程还可以拥有各自独立的IO接口。

使用ps命令来查询正在运行的进程，比如ps -eo pid,comm,cmd，执行结果:

(-e表示列出全部进程，-o pid,ppid,comm,cmd表示我们需要PID，COMMAND，CMD信息)

       PID(processIDentity)是一个16位的整数，每一个进程都有一个唯一的PID来作为自身标识。进程当中的pid号的分配是从0—32767之间的，其中0—299的进程号是分配给demo（守护进程）的，剩下的pid号是分配给普通进程的。第二列的ppid是本进程的父进程号。第三列的COMMAND是这个进程的简称。第四列的CMD是进程所对应的程序以及运行时所带的参数。

       所有的进程也构成一个以init为根的树状结构，用pstree命令可以显示整个进程树的结构(这里不再展示)。

       当子进程终结时，它会通知父进程，并清空自己所占据的内存，并在kernel里留下自己的退出信息。父进程在得知子进程终结时，有责任对该子进程使用wait系统调用。这个wait函数能进行内存清空处理。但是，如果父进程早于子进程终结，子进程就会成为一个孤儿(orphand)进程。孤儿进程会被过继给init进程，init进程也就成了该进程的父进程。init进程负责该子进程终结时调用wait函数。

       当然，一个糟糕的程序也完全可能造成子进程的退出信息滞留在kernel中的状况（父进程不对子进程调用wait函数），这样的情况下，子进程成为僵尸（zombie）进程。当大量僵尸进程积累时，内存空间会被挤占。

进程的创建、销毁、执行等详细过程在此不做讨论，在学习unix c编程后，在代码编写的过程中会有深入的了解

在Linux中，线程是一种特殊的进程，多个线程之间可以共享内存空间和IO接口。(进程之间内存是独有的，不会共享)

 

2、进程的基本状态转换(三态和五态)

   三态模型：在多道程序系统中，进程在处理器上交替运行，状态也不断地发生变化。进程一般有3种基本状态：运行、就绪和阻塞。

（1）运行：当一个进程在处理机上运行时(占据cpu)，则称该进程处于运行状态。处于此状态的进程的数目小于等于处理器的数目——如果是单核处理器，则当前只有一个进程处于运行态;如果是多核(例如n核)，则有m(0<m<n+1)个进程处于运行态。

特别注意：多核处理器可能在同一时间执行一个进程(可以认为是多行代码一块执行，每个核执行一条)

（2）就绪：当一个进程获得了除处理机以外的一切所需资源，一旦得到处理机即可运行，则称此进程处于就绪状态。

（3）阻塞：也称为等待或睡眠状态，一个进程正在等待某一事件发生（例如请求I/O而等待I/O完成等）而暂时停止运行，这时即使把处理机分配给进程也无法运行，故称该进程处于阻塞状态。

 

五态模型：对于一个实际的系统，进程的状态及其转换更为复杂。引入新建态和终止态构成了进程的五态模型。

新建态：进程正在创建过程中，还不能运行的状态。创建进程时分为两个阶段，第一个阶段为新建态，为一个新进程创建必要的管理信息，第二个阶段让该进程进入就绪状态。

终止态：进程已结束运行，回收除进程控制块之外的其他资源，并让其他进程从进程控制块中收集有关信息。类似的，进程的终止分为两个阶段，第一个阶段等待操作系统进行善后处理，第二个阶段释放主存。

由于进程的不断创建，内存资源已不能满足所有进程运行的要求(例如：进程总资源有5GB，内存大小只有4GB)。这时，就必须将某些进程挂起，放到磁盘对换区，暂时不参加调度。

所以就绪态可以分为两种————活跃就绪、静止就绪

活跃就绪：是指进程在主存并且可被调度的状态。

静止就绪（挂起就绪）：是指进程被对换到磁盘区时的就绪状态，是不能被直接调度的状态，只有当主存中没有活跃就绪态进程，或者这个就绪态进程具有更高的优先级，系统将把挂起就绪态进程调回主存并转换为活跃就绪。

在linux系统中标识进程的5种状态码:
TASK_RUNNIN 运行态

TASK_INTERRUPTIBLE 可中断等待状态(在等待接受到信号执行)

TASK_UNINTERRUPTIBLE 不可中断等待状态(硬件资源无法满足，需等待中断，满足条件)

TASK_ZOMBIE 僵死状态(进程已终止, 但进程描述符存在, 直到父进程调用wait4()系统调用后释放)

TASK_STOPPED 中止状态

3、linux每个进程对应一个task_struct类型结构。该结构包含进程相关的所有信息。linux进程通过list_head组织双向链表，每一个结点就是一个进程描述符。进程描述符里面包含了进程所有的信息：进程所打开的文件、进程的地址空间、挂起信号、进程状态和其他更多的信息。以下是进程描述符的部分定义：  
   
  shruct   task_struct   
  {  
  unsigned   long  state;                  //进程的状态，在2.6.23已经有9个状态    
  unsigned   long   policy;          //描述进程调度策略.判断是实时进程还是非实时进程
  struct   task_struct   *parent;    //组织进程的层次关系，指向父进程 
  struct   list_head  tasks;               //通过list_head组织成双向链表
  pid_t   pid;                                      //每个进程唯一的标号
  ......  
  }; 
   上面说到的每一个进程状态都有一个链表，来把同一状态的进程串起来。看一下list_head：

struct list_head {

    structlist_head *next, *prev;

};

       这是双向链表，被放到结构中。通过结构task_struct 定义，可以得到list_head在task_struct 的偏移量，在遍历的时候，通过list_head的地址就可以得到这个节点的task_struct的首地址，然后就可以访问整个task_struct结构。

       进程状态的改变(五态之间的转换)的过程如下——将进程从当前状态链表中取出，改变进程状态，把改变后的进程插入当前状态链表中。

4、进程的同步与互斥

      进程同步是进程之间直接的制约关系，是为完成某种任务而建立的两个或多个进程，进程需要在某些位置上协做工作次序而等待、传递信息所产生的制约关系。进程间的直接制约关系来源于他们之间的合作。

      进程互斥是进程之间的间接制约关系。当一个进程进入临界区使用临界资源时，另一个进程必须等待。只有当使用临界资源的进程退出临界区后，这个进程才会解除阻塞状态。

打个比喻：抄别人作业必须先等待别人做完之后，自己才能把作业抄完，这就是合作。如果借了一份作业，却被别人拿走先去抄了，必须等着拿走的人抄完自己才能抄，这就是互斥。而作业就是临界资源，它只能供一个人占用。

解决问题方案————锁机制、信号量

锁机制——在进入临界区之前获得锁(保证没其他进程在临界区，也禁止后面进程进入临界区)，在对临界区资源执行完成之后，释放锁，此时其他进程才能获得锁进入临界区访问。(锁可以被看为一个bool值)

信号量——P和V操作分表示占有和释放，P操作首先减少信号量(减一)，表示有一个进程将占用或等待资源，然后检测S是否小于0,如果小于0则阻塞，如果大于0则占有资源进行执行。执行V操作时，S的值加1，若结果不大于0则释放一个因执行P(S)而等待的进程.

 (1)完成互斥控制

P(信号量S)

   ......

   临界区(访问临界资源的代码段)

   ......

V(信号量S)

 (2)完成同步操作

     最简单的同步形式是:进程A在另一个进程B到达L2以前,不该不该前进到超过L1,这样就可以使用以下程序表示:

进程A                                                  进程B

......                                                      ......

L1:P(信号量S)                                    L2:V(信号量S)

......                                                     ......

       对于信号量而言，理解思想即可！信号量在linux与java中都有出现，但在linux中的使用却复杂的多，需要自己编写代码调试才能深入理解，恍然大悟。Java的信号量相对很容易理解(已经抽象化了)，依靠底层代码支持实现的。

5、情景模式分析

生产者_消费者(一个生产者，一个消费者，公用一个缓冲区)

可以作以下比喻：将一个生产者比喻为一个生产厂家，如牛奶厂家，而一个消费者，比喻是学生，而一个缓冲区则比喻成一间商店。牛奶生产厂家生产一盒牛奶，把它放在商店进行销售，而学生则可以从那里买到这盒牛奶。只有当厂家把牛奶放在商店里面后，学生才可以从商店里买到牛奶。

解题如下：

定义两个同步信号量：

empty——表示缓冲区是否为空，初值为n。(缓冲区即商店，n代表商店存储最大容量)

full——表示缓冲区中是否为满，初值为0。

mutex——表示当前只有一个进程在缓冲区。

生产者进程

while(TRUE){

生产一个产品;

     P(empty);

     P(mutex);

     产品送往Buffer;

     V(mutex);

     V(full);

}

消费者进程

while(TRUE){

P(full);

P(mutex);

   从Buffer取出一个产品;

V(mutex);

   V(empty);

   消费该产品;

对于常见的情景问题，分析模型之后，保证逻辑不出错误，按照逻辑编写代码即可！！！

6、进程间通信 

             环境变量/文件描述符、命令行参数、管道、共享内存(动态数据交换)、信号、消息队列

分别对这些方式进行分析：

——环境变量/文件描述符——

当创建一个子进程时，它接受了父进程许多资源的拷贝。子进程接受了父进程的文本、堆栈以及数据片断的拷贝，也接受了父进程的环境数据以及所有文件描述符的拷贝。之后，他们之间便成为完全独立的两个进程。这种通信是单向的、一次性的通信，严格意义上甚至并不算进程间通信。

——命令行参数——

    通过命令行参数（command-line argument）可以完成另一种单向、一次性的进程间通信。类似于上面描述的传递，父进程通过shell命令创建子进程，并把shell命令的参数传递到子进程

——管道——

管道(Pipe)可以关联进程间通信(双向通信)。管道是一种数据结构，像一个序列化文件一样访问。它形成了两个进程间的一种通信渠道。管道结构通过使用文本和读写方式来访问。如果进程A希望通过管道发送数据给进程B，那么，进程A向管道写入数据，进程B读取管道获得信息。管道可以在程序的整个执行期间使用，在进程间发送和接收数据。

——共享内存——

    共享内存也可以实现进程间的通信。进程需要有可以被其他进程浏览的内存块，希望访问这个内存块的其他进程请求对它的访问，或由创建它的进程授予访问内存块的权限。共享内存被映射到使用它的每个进程的地址空间。所以，它看起来像是另一个在进程内声明的变量。当一个进程写共享内存，所有的进程都立即知道写入的内容，而且可以访问。

进程间共享内存的关系与函数间全局变量的关系相似。程序中的所有函数都可以使用全局变量的值。同样，共享内存块可以被正在执行的所有进程访问。 

——信号——

对中断机制的一种模仿。进程有某种事件发生(例如程序异常)，进程发送信号，相应的处理进程得到信号进行处理，处理完之后返回原进程继续从中断处执行。

——消息队列——

消息队列提供了从一个进程向另一个进程发送一个数据块的方法。每个数据块都被认为含有一个类型，接收进程可以独立地接收含有不同类型的数据结构。我们可以通过发送消息来避免命名管道的同步和阻塞问题。

7、线程

线程被认为是进程的子程序执行，一个进程可以有多个线程，且他们共享进程的资源(线程本身只有很少的资源)

 

最后说明——简单的对进程分析很难深入的理解进程机制，只有通过unix下c编程，通过编写相关进程代码，进行测试与分析，才能更加深入的理解