苏格拉底挑战
第三章 Unix/Linux 进程管理
一.知识点归纳
（一）多任务处理
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多任务处理是所有操作系统的基础。总体上说，它也是并行编程的基础。
（二）进程的概念
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进程是对映像的执行。
在操作系统内核中，每个进程用一个独特的数据结构表示，叫作进程控制块（PCB）或任务控制块（TCB）等。在本书中，我们直接称它为 PROC 结构体。
（三）多任务处理系统
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多任务处理系统，简称 MT，由以下几个部分组成：
1.type.h 文件
type.h 文件定义了系统常数和表示进程的简单 PROC 结构体。
/*********** type.h file ************/
#define NPROC 9
#define SSIZE 1024
// PROC status
#define FREE 0
#define READY 1
#define SLEEP 2
#define ZOMBIE 3
typedef struct proc{
struct proc *next;
int *ksp;
int pid;
int status;
int priority;
int kstack [SSIZE];
}PROC;
2.ts.s 文件
ts.s 在32位 GCC 汇编代码中可实现进程上下文切换。
3.queue.c 文件
queue.c 文件可实现队列和链表操作函数。enqueue()函数按优先级将 PROC 输入队列中。在优先级队列中，具有相同优先级的进程按先进先出（FIFO）的顺序排序。dequeue()函数可返回从队列或链表中删除的第一个元素。printList()函数可打印链表元素。
4.tc.c 文件
tc.c 文件定义 MT 系统数据结构、系统初始化代码和进程管理函数。
5.多任务处理系统代码介绍
（1）虚拟 CPU：MT 系统在 Linux 下编译链接为
gcc -m32 t.c ts.s
然后运行 a.out。
（2）init()：当 MT系统启动时，main()函数调用init()以初始化系统。init()初始化 PROC 结构体，并将它们输入 freeList()。它还将 readyQueue()初始化为空。然后使用 proc[0]创建 P0，作为初始运行进程。P0的优先级最低，为0。所有其他任务的优先级都是1，因此它们轮流从 readyQueue 运行。
（四）进程同步
1.睡眠模式：ksleep(int event)
当某进程需要某些当前没有的东西时，它就会在某个事件值上进入休眠状态。为实现休眠操作，我们可以在 PROC结构体中添加一个event字段，并实现ksleep(int event)函数，使进程进入休眠状态。接下来，我们将假设对 PROC结构体进行修改以包含加粗显示的添加字段。
2.唤醒操作：kwakeup(int event)
当某个等待时间发生时，另一个执行实体（可能是某个进程或中断处理程序）将会调用 wakeup(event)。唤醒正处于休眠状态等待该事件值的所有程序。如果没有任何程序休眠等待该程序，kwakeup()就不工作，即不执行任何操作。
（五）进程终止
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正常终止：进程调用 exit(value)，发出_exit(value)系统调用来执行在操作系统内核中的 kexit(value)。
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异常终止：进程因某个信号而异常终止。
在这两种情况下，当进程终止时，最终都会在操作系统内核中调用 kexit()。
（六）MT系统中的进程管理
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完善基础MT系统，实现MT系统的进程管理函数：
(1)用二叉树的形式实现进程家族树。
(2)实现 ksleepO()和kwakeup()进程同步函数。
(3)实现kexit()和kwait()进程管理函数。
(4)添加“w”命令来测试和演示等待操作。
（七）Unix/Linux中的进程
1.进程来源
当操作系统启动时，操作系统内核的启动代码会强行创建一个PID=0的初始进程。然后系统执行它。在初始化系统后，P0复刻一个子进程P1，并把进程切换为以用户模式运行P1。
2.INIT和守护进程
P1的大部分子进程都是用来提供系统服务的。它们在后台运行，不与任何用户交互。它们被称为守护进程。
3.登录进程
除了守护进程，P1复刻了许多登录进程，每个终端上一个，用于用户登录。每个登录进程打开三个与自己的终端相关联的文件流（stdin, stdout, stderr).
4.sh进程
当用户成功登录时，LOGIN 进程会获取用户的 gid 和 uid，从而成为用户的进程。它将目录更改为用户的主目录并执行列出的程序，通常是命令解释程序 sh。现在，用户进程执行sh，因此用户进程通常称为 sh 进程。它提示用户执行命令。一些特殊命令，如cd(更改目录)、退出、注销等，由sh 自己直接执行。其他大多数命令是各种 bin 目录(如/bin、/sbin、/usr/bin、/usr/local/bin 等)中的可执行文件。对于每个(可执行文件)命令，sh 会复刻一个子进程，并等待子进程终止。子进程将其执行映像更改为命令文件并执行命令程序。子进程在终止时会唤醒父进程 sh，父进程会收集子进程终止状态、释放子进程 PROC 结构体并提示执行另一个命令等。除简单的命令之外，sh 还支持 I/O 重定向和通过管道连接的多个命令。
5.进程的执行模式
（1）中断：中断是外部设备发送给 CPU的信号，请求 CPU 服务。当在 Umode 下执行时，CPU 中断是启用的，因此它将响应任何中断。在中断发生时，CPU 将进入 Kmode 来处理中断，这将导致进程进人 Kmode。
（2）陷阱：陷阱是错误条件，例如无效地址、非法指令、除以0等，这些错误条件被 CPU识别为异常，使得 CPU 进入 Kmode 来处理错误。在 Unix/Linux 中，内核陷阱处理程序将陷阱原因转换为信号编号，并将信号传递给进程。对于大多数信号，进程的默认操作是终止。
（3）系统调用：系统调用(简称syscall)是一种允许 Umode 进程进入 Kmode 以执行内核函数的机制。当某进程执行完内核函数后，它将期望结果和一个返回值返回到 Umode,该值通常为0(表示成功)或-1(表示错误)。如果发生错误，外部全局变量errno(在 errno.h中)会包含一个 ERROR 代码，用于标识错误。
（八）I/O重定向
1.文件流和文件描述符
每个文件流对应Linux内核中一个打开文件。它们都用一个文件描述符表示。
stdin、stdout、stderr的文件描述符分别为0、1、2。
2.管道与管道命令
管道是用于进程交换数据的单向进程间同此你通道。有一个读取端和一个写入端。
在Unix/Linux中，命令行cmd1|cmd2包含一个管道符号“|”。Sh将通过一个进程运行cmd1，另一个运行cmd2。
（九）管道
管道是用于进程交换数据的单向进程间通信的通道。管道有一个输入端、一个输出端。在之前我们使用man -k | grep xx时，就用到管道的功能。
管道的使用可以通过程序完成，也可以在命令行中处理完成。