作業系統（3）程式及其實現

1、引入程式的目的：

1）刻畫系統的動態性，發揮系統的併發性。

2）解決共享性，正確地描述程式的執行狀態。

2、可再入程式：指能夠被多個程式同時呼叫的程式。是純程式碼，在執行過程中不被修改，呼叫它的各應用程式提供工作區。編譯程式通常是“可再入”程式，可同時編譯若干源程式。

可再用程式：在被呼叫過程中可以自身修改，在呼叫它的程式退出之前是不允許其他程式來呼叫的。

3、程式：

是可併發執行的程式在某個資料集合上的一次計算活動，也是作業系統進行資源分配和保護的基本單位。擁有結構性，共享性，動態性，獨立性，制約性，併發性。

三態模型：

1）執行態：程式佔用處理器執行的狀態。

2）就緒態：程式具備執行條件，等待系統分配處理器以便其執行的狀態。

3）等待態：又稱阻塞態或睡眠態，指程式不具備執行條件，正在等待某個事件完成。

注意：處於執行態的程式個數不能大於處理器的個數，處於就緒態和等待態的程式可以有多個。

4、建立程式需要兩個步驟：

首先為新程式分配所需資源，建立必要的管理資訊，然後，設定此程式為就緒態，等待被排程執行。

類似的，程式終止：

首先，等待作業系統或相關程式進行善後處理（如抽取資訊），然後，回收被佔用的資源並由系統刪除程式。處於終止態的程式不再被排程執行，下一步將被系統撤銷，最終從系統中消失。

5、掛起程式：

等同於不在主存的程式，因此，掛起程式不會參與低階排程知道它們被對換進主存。掛起程式具有以下特徵：

此程式不能被立即執行。此程式可能會等待某事件發生，所等待的事件獨立於掛起條件，事件結束並不能導致程式具備可執行條件。此程式進入掛起狀態是由於作業系統、父程式或程式自身組織其執行。程式掛起狀態的結束命令只能通過作業系統或父程式發出。

6、程式映像：某時刻程式的內容及其狀態集合。包括以下要素：

1）程式控制塊PCB：每個程式捆綁一個控制塊，用來儲存程式的標誌資訊、現場資訊和控制資訊。程式建立時建立控制塊，程式撤銷時回收其，它與程式一一對應。

2）程式程式塊：是被執行的程式，規定程式的一次執行所應完成的功能。

3）程式核心棧：程式在核心態工作時使用，用來儲存中斷/異常現場，儲存函式呼叫的引數和返回地址，等等。

4）程式資料塊：是程式的私有地址空間，存放各種私有資料，使用者棧也要在資料塊中開闢，用於在函式呼叫時存放棧幀、區域性變數等引數。

7、程式上下文：程式物理實體和支援程式執行的環境的合稱。由三部分組成：

1）使用者級上下文：由正文（程式）、資料、共享儲存區、使用者棧鎖組成，它們佔用程式的虛擬地址空間。

2）暫存器上下文：由程式狀態字暫存器、指令暫存器、棧指標、控制暫存器、通用暫存器組成。

3）系統級上下文：由程式控制塊、主存管理資訊（頁表或段表）、核心棧組成。

8、程式佇列及其管理：

把處於同一狀態的所有程式的PCB連結在一起的資料結構稱為佇列。有三種通用的佇列組織方式：

1）線性方式：作業系統根據系統內程式的最大數目，靜態的分配主存中的某塊空間，所有程式的PCB都組織在一個線性表中。

2）連結方式：對於同一狀態程式的PCB，通過PCB中的連結指標將其連結成佇列，可以採用單向或雙向連結串列。

3）索引方式：利用索引表記錄不同狀態程式的PCB地址，系統建立若干索引表，如就緒索引表、等待索引表、空閒索引表等。

注意：為了標誌和識別佇列，系統為每個佇列均設定佇列標誌，存放於核心空間中。不同狀態的程式可以排成不同的佇列，如執行佇列、就緒佇列和等待佇列。

9、程式上下文切換：程式切換必定在核心態而非使用者態發生。

核心在下列情況下會發生上下文切換：

1）當程式因各種原因進入等待態時。

2）當程式完成其系統呼叫返回使用者態，但尚無資格獲得CPU時。

3）當核心完成中斷處理，程式返回使用者態但尚無資格獲得CPU時。

4）當程式執行的時間片到時或程式結束時。

10、程式切換的實現步驟如下：

1）儲存被中斷程式的處理器現場資訊。

2）修改被中斷程式PCB的有關資訊，如程式狀態等。

3）把被中斷程式的PCB加入相關佇列。

4）選擇佔用處理器執行的另一個程式。

5）修改被選中程式PCB的有關資訊，如改為就緒態。

6）設定被選中程式的地址空間，恢復儲存管理資訊。

7）根據被選中程式的上下文資訊來恢復處理器現場。

11、處理器模式切換：模式切換不同於程式切換，它不一定會引起程式狀態的轉換。

注意：使用者空間和核心空間的資料不能互訪，在應用程式執行系統呼叫的過程中，如果有需要，可通過核心函式copy_from_user( )和copy_to_user( )將資料在使用者空間和核心空間中進行復制。

12、原語：

在核心態執行，是完成系統特定功能的不可分隔的過程，它具有原子操作性，其程式段不允許被中斷，或者說原語不能併發執行。原語的實現方法之一是以系統呼叫的方式提供原語介面，採用遮蔽中斷的方式來實現。

13、程式的建立源於以下事件：

1）提交批作業處理。2）有互動式作業登入終端。3）作業系統建立服務程式。4）已存在的程式建立新程式。

程式的建立過程如下：

1）在程式列表中增加一項，從PCB池中申請一個空閒PCB，為新程式分配唯一的程式識別符號。

2）為新程式的程式映像分配地址空間，以便容納程式實體。由程式管理程式確定載入至程式地址空間中的程式。

3）為新程式分配除主存空間以外的其他各種資源。

4）初始化PCB，如程式識別符號、處理器初始狀態、程式優先順序等。

5）把新程式的狀態設定為就緒態，並將其移入就緒程式佇列。

6）通知作業系統的某些模組，如記賬程式、效能監控程式。

在windows中，使用Win32 API的CreateProcess( )函式建立程式，返回一個程式控制程式碼。

14、程式阻塞和喚醒：

阻塞是指使程式讓出處理器，轉而等待一個事件，如等待資源。等待I/O操作完成、等待某事件發生等。程式通常自呼叫阻塞原語來阻塞自己，所以阻塞是程式的自主行為，是一個同步事件。

15、程式掛起和啟用：

當出現引起掛起事件時，檢查要被掛起程式的狀態，若處於活動就緒態，就修改為掛起就緒態；若處於等待態，就修改為掛起等待態，被掛起程式PCB的非常駐部分要交換到磁碟對換區。

注意：掛起原語既可以由程式自己也可以由其他程式呼叫，但是啟用原語只能由其他程式呼叫。