【作業系統】 第二章 程式管理 程式的描述與控制

第二章 程式管理 描述與控制

2.1 什麼是程式

程式程式碼+相關資料+程式控制塊PCB

當處理器開始執行一個程式的程式碼時，稱這個執行的實體為程式

2.1.1 程式和程式控制塊PCB

PCB(Process Control Block)

• PCB是程式中斷的基礎，恢復執行後好像從未中斷一樣
• PCB由OS建立和管理
• 支援多程式的工具

PCB是用於程式管理的資料結構

PCB元素	作用
id	識別符號
state	狀態
PC	程式計數器
memory pointer	記憶體指標
context	上下文
I/O status	I/O狀態
……	……

2.1.2 程式VS程式

程式是劇本，程式是演出

程式基本特徵：

• 動態性（本質特徵）：程式存在生命週期
• 併發性（重要特徵）：可同其他程式一同推進
• 獨立性：各程式地址空間相互獨立（邏輯地址）
• 非同步性：程式按不可預知速度推進

與程式相比：

1. 程式是正在計算機執行的例項
2. 程式=PCB+程式程式碼+資料
3. 程式是靜態的，沒有生命週期
4. 程式與程式並無一一對應關係，如一個dad（）程式中涉及多個PV程式
5. 引入程式的概念是為了容易正確解釋多道程式併發

2.2 程式狀態

程式軌跡

程式的待執行指令序列，描述單個指令的行為（指南）

分派器Dispatcher

將cpu從一個程式切換到另一程式

2.2.1 兩狀態模型

2.2.2程式建立與終止

程式建立

OS建立用於管理程式的PCB
OS為程式分配記憶體

建立原因

• 新作業<-舊的已完成
• 使用者登入<-字面意思
• 使用者請求服務<-比如請求列印
• 程式派生<-如fork()

相關

程式派生：程式顯式請求建立一個程式（子程式）
父程式：原來的程式
子程式：派生的新程式

終止原因

• 作業完成
• timeout
• 無可用記憶體
• 無許可權訪問
• 超出可用記憶體範圍
• 訪問受保護的檔案
• 不可運算
• 超時（等不及）
• I/O失效 如讀寫失敗
• ……
• 父程式終止 父死子亡

五狀態模型

排隊模型

1. 單阻塞佇列：所有阻塞佇列在同一佇列，事件後滿足需遍歷整個佇列
2. 多阻塞佇列：不同阻塞條件對應不同佇列
   同樣的，可以根據不同優先順序維護多個就緒佇列

2.2.4 被掛起的程式

是為了解決記憶體有限的問題，把暫時阻塞的程式部分或全部換出到外存的掛起佇列中

掛起後

• OS排程新程式
• 從掛起佇列取新程式

掛起

記憶體中處於阻塞、就緒甚至執行的程式釋放到外存，不再參與cpu競爭

七狀態模型

掛起的程式

不能立刻執行、在外存中、不會自行換入、可能在等待或不等待條件

掛起原因

• 交換（騰出空間）
• 使用者請求
• 父程式請求
• OS請求
• 定時：定時執行，在等待時掛起

2.3 程式描述

2.3.1 OS控制結構

OS用表格來維護管理資源

• 記憶體表：用於跟蹤記憶體、外存

• 分配給程式的記憶體和外存

• 記憶體外存受保護資訊

• 管理外存資訊

• I/O表

• I/O狀態（可用/已分配給XX程式）

• I/O資料來源和目的記憶體

• 檔案表

• 檔案是否存在

• 檔案在外存位置

• 當前狀態

• 其他屬性

• 程式表特徵

• 用於管理程式

• 有對記憶體、I/O\檔案的間接引用

• 本身可被OS訪問（廢話-_-）

2.3.2程式控制結構

程式映像：程式、資料、棧（儲存呼叫地址）和PCB的集合

PCB中的資訊

• 程式標識資訊：儲存在程式中的數字識別符號

  • 程式id
  • 父程式id
  • 使用者id

• 處理器狀態資訊：cpu暫存器內容

  • 使用者可見暫存器
  • 控制和狀態暫存器（PC、PSW、中斷允許/禁用標誌、執行模式）
  • 棧指標（指向該程式的棧頂）

• 程式控制資訊：作業系統排程程式所需其他資訊

  • 程式狀態state：“running”……
  • 程式優先順序priority
  • 事件標識：程式等待事件
  • 排程相關資訊：不同排程演算法可能需要空間存放資料
  • 資料結構：用於支援佇列、環、指標
  • 程式通訊：關聯無關程式之間的通訊
  • 程式特權
  • 儲存管理：指向虛存段表或頁表的指標
  • 資源所有權及使用情況

2.4 程式控制

2.4.1 執行模式

核心模式功能

• 程式管理
• PCB
• create、delete、schedule
• shift
• 同步
• 儲存管理
• 分配
• 交換
• 分頁分段
• I/O裝置管理
• I/O緩衝區
• 分配I/O

核心的支撐功能

• 中斷處理
• 時鐘中斷
• 記賬

OS支援的兩種模式及其特點

使用者模式

• 優先權少
• 使用者程式執行

系統模式/核心模式

• 優先權多
• 執行在核心
• 特權指令
• 特權記憶體空間訪問

注：當前模式由PSW中的特殊位標識，兩種模式也是為了保護OS資料結構不被篡改

2.4.2程式建立

OS行為：
分配id–>分配空間–>init pcb（id、棧、state、priority……）–>插入就緒/掛起佇列–>初始化其他資料結構

2.4.3程式切換

中斷

• 普通中斷
• timeout：程式時間片耗盡
• I/O中斷：I/O就緒，OS決定該喚醒哪個程式
• 記憶體失效（缺頁）：阻塞當前程式
• 陷阱（自陷）
• 程式錯誤或異常

程式切換原因

• 普通中斷：對外部事件的反應
• 陷阱：處理異常
• 系統呼叫：呼叫核心程式

中斷過程

save context(P1)–>renew pcb(P1)–>move pcb(P1) in queue–>change process(P1->P2)–>renew pcb(P2)–>renew storage、data structure–>reload context(P1)

注意：中斷不一定導致程式切換

• 一個例子：I/O中斷後，系統決定仍由先前程式繼續執行（比如因為該程式priority更高）

模式切換

使用者模式<==>核心模式

原因

• 系統呼叫：呼叫核心服務
• 中斷：呼叫中斷處理程式

模式切換與程式切換

模式切換不一定導致程式切換，要程式切換一定要模式切換

2.4.4 OS的執行

1. 無程式的核心：核心獨立於程式（separate kernel）
2. 使用者程式內的作業系統：程式與核心函式同時執行（OS function execute with process）
3. 基於程式的作業系統：核心函式與程式同級執行（OS function execute with separate process）
   

2.5 UNIX SVR4程式管理

fork()用於建立程式:pid=fork();

注意三點：

1. fork()建立子程式之後，父子程式均各自繼續執行
2. 子程式的fork()返回pid=0，父程式的fork()返回所建立的子程式id
3. 父子程式的推進順序不可估計

舉三個例子幫助理解：

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例1：下面程式碼共輸出幾個hello world？

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int main()
{
    int i;
    for (i=0;i<3;i++)
        fork();
    printf("hello, world\n");
    return 0;
} 

一次fork()理解為：舊程式不變，繼續執行，產生了一個新程式
3次fork(),會有2^3個程式，所以會列印8個hello world

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例2：下面程式碼的輸出是什麼？

void main(void) {
int i;
static char buffer[10];
if (fork()==0)     
   strcpy(buffer, “Child\n”);
else
   strcpy(buffer, “Parent\n”);
 
for (i=0; i < 5; ++i) {
  sleep(1);
  write(1, buffer, sizeof(buffer));
}
} 

5個Child，5個Parent，但順序不一定

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例3：下面程式碼的輸出是什麼？

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
int global = 4;
void main(void) {
int  pid; 
int vari = 5;
printf(“before fork\n”);
if ((pid = fork()) < 0) {
      printf(“fork error\n”);
      exit(0);
  } else if (pid == 0) {
	  global++;
	  vari--;
    }
 printf(“global=%d,vari=%d\n”, global, vari);
}

父程式：global=4，vari=5
子程式：global=5，vari=4

2.6 執行緒

程式分為兩個組成部分

• 排程的基本單位
• 資源的獨立單元

執行緒作為基本排程單位獨立出來，由OS排程

多執行緒

單個程式內支援多個併發路徑的能力

單執行緒

一個程式只有一個執行緒

執行緒是程式中的一個實體，是獨立排程和分派的單元

2.6.1 程式vs執行緒

一個程式可以有一個或多個執行緒
掛起或終止一個程式=掛起或終止其內部所有執行緒

執行緒

• 執行狀態state:派生、阻塞、解除阻塞、結束
• 上下文context
• 棧
• 區域性變數
• 共享的資源和記憶體
  

多執行緒比單執行緒多一個tcb（執行緒的“pcb”）

執行緒優點

1. 建立耗時短
2. 終止耗時短
3. 切換耗時短（同程式內）
4. 提高了不同執行程式間的通訊效率

執行緒同步

• 一個程式中的所有執行緒共享該程式資料和空間
• 一個執行緒對資料修改會影響其他執行緒

2.6.2執行緒分類

使用者級執行緒 ULT（User-Level Thread）

• 執行緒核心不可見，由應用程式管理
• 程式阻塞，執行緒不一定阻塞；程式執行，執行緒也可能阻塞
• 優點
• 執行緒切換不需要切換核心模式
• 排程策略可以應用程式定製
• 可執行在任何種類的OS上
• 缺點
• 執行緒系統呼叫時會阻塞該程式所有執行緒
• 不適用於多核系統
• 缺點的改進辦法
• jacketing技術：由應用級呼叫替代系統呼叫
  

核心級執行緒 KLT（Kernel level Thread）

• 核心管理執行緒，應用程式不管理執行緒
• 優點
• 可以將多個執行緒分配到多個cpu上
• 一個執行緒阻塞時，同程式其他執行緒不會阻塞
• 核心本身也可以使用多執行緒
• 缺點
• 執行緒切換要進行模式切換

混合方法（ULT+KLT）

• 執行緒在使用者級建立
• 執行緒排程、同步由應用程式完成
• 使用者執行緒一個或多個對映到核心執行緒上（核心執行緒要更少）