當前進程信息.doc

此文檔收集于網絡，如有侵權，請聯(lián)系網站刪除 操作系統(tǒng)實驗（minix部分） 顯示當前進程信息 實驗目的一、 運用操作系統(tǒng)所學原理知識，加深進程機制在Minix操作系統(tǒng)中的實現(xiàn)；二、 分析Minix系統(tǒng)進程PCB數(shù)據(jù)結構，包括進程調度、內存管理和文件系統(tǒng)三部分中各數(shù)據(jù)成員的具體含義；三、 了解Minix操作系統(tǒng)整體實現(xiàn)機制；四、 學習Minix操作系統(tǒng)中進程間通信機制，查看Minix這方面的源碼。實驗過程一、 實驗準備在此實驗的預習過程中我們需要了解操作系統(tǒng)中有關于進程方面的知識，并且要更深層的了解進程機制在minix中的實現(xiàn)。此外，還有進程的通信機制也需要注重了解。這樣我們作實驗才能更高效。首先，我們先從最基本的概念入手。進程是操作系統(tǒng)中最重要的一個基本點，深入并且透徹的理解好進程的含義，不僅是做好此次實驗的關鍵，更是我們學好操作系統(tǒng)整個課程的重中之重。“進程”這一術語有許多人在不同角度對其下過定義，其中最能進程實質的定義有：（1） 進程是程序的一次執(zhí)行；（2） 進程是可以和別的計算并發(fā)執(zhí)行的計算；（3） 進程可定義為一個數(shù)據(jù)結構及能在其上進行操作的一個程序；（4） 進程是一個程序及其數(shù)據(jù)在處理機上順序執(zhí)行時所發(fā)生的活動；（5） 進程是程序在一個數(shù)據(jù)集合上的運行過程，是系統(tǒng)進行資源分配和調度的一個獨立單位。據(jù)此，我們可以把“進程”定義為：“可并發(fā)執(zhí)行的程序在一個數(shù)據(jù)集合上的運行過程”。我們在理解好上述進程定義的基礎上，在對進程進行一下自己的思考，是進程的概念在自己的腦海里形成一個自己的概念，然后再去對進程的其他特征進行了解和分析。例如進程的動態(tài)性、并發(fā)性、獨立性、異步性和結構特性。我們還需要知道進程的三個最基本的狀態(tài)，就緒狀態(tài)、執(zhí)行狀態(tài)和阻塞狀態(tài)，以及三者之間的相互關系：結束新進程執(zhí)行就緒阻塞接納 完成 中斷 進程調度 I/O完成或事件發(fā)生 I/O請求或等待某事件 此外，我們還需要知道引起進程創(chuàng)建的事件有用戶登錄、作業(yè)調度、提供服務和應用請求。進程的創(chuàng)建又大概分為：1、申請空白PCB；2、為新進程分配資源；3、初始化進程控制塊；4、將新進程插入就緒隊列。PCB就是進程控制塊，它是進程存在的唯一標志，當系統(tǒng)創(chuàng)建一個新進程時，就為它建立一個PCB；進程結束時又收回其PCB，進程于是也隨之消亡。 了解完進程的概念，我們開始去認識進程間的通信。進程是經常要與其他進程通信。例如，在一個shell管道中，第一個進程的輸出必須傳送到第二個進程，這樣沿著管道傳遞下去。因此需要在通信的進程間，最好使用一種結構較好的方式，而不用中斷。這就是我們所說的進程通信。我們在做此實驗時應該著重去學習消息傳遞這個概念。這種通信方法使用兩條原語SEND和RECEIVE。他們像信號量一樣是系統(tǒng)調用，因此很容易地被加入庫例程。例如：send(destination,&message); receive(source,&message);前一個調用向一個給定的目標發(fā)送一條消息，后一個調用從給定的源接受一條消息。但消息傳遞系統(tǒng)有它自己的缺點，就是在設計上有很多的難點，消息傳遞有很多變體，因此對于我們初學者，我們來看如何對消息編址這種方法：為每個進程分配一個唯一的地址，按進程為消息指定地址。 對進程的總體有了了解后，我們該入主題了，看看進程機制是如何在MINIX中實現(xiàn)的。Minix本身就是一組進程的集合。它們相互之間，以及與用戶進程之間使用進程間通信機制（消息傳遞）來進行通信，這種設計使得minix的結構更加模塊化和靈活。 我們首先大體瀏覽一下Minix整個系統(tǒng)，Minix被組織成4層，每一層執(zhí)行很完好的功能。這4層為：1、進程管理，這是最低層，它捕獲所有的中斷和陷入，完成進程調度，并向高層提供一個采用消息進行通信的獨立順序進程模型，其中斷處理最低層部分用匯編語言編寫，其余部分和其他層次用C語言編寫；2、I/O進程，每類設備都有一個I/O進程，為了將其與其他普通用戶進程相區(qū)別我們稱之為任務，第2層的所有任務和第一層的代碼鏈接成一個單一的二進制程序，稱作內核(kernel)，盡管任務和內核被編譯在一起，但在執(zhí)行時內核被賦予比任務更高的特權級，所以真正的內核代碼可以訪問任一部分內存，及任一處理器寄存器；3、服務器進程，這些服務器進程在低于任務和內核的特權級上運行，不能直接訪問I/O端口，也不能訪問屬于自己段以外的內存，主要有內存管理（Memory Manager,MM）負責執(zhí)行所有牽涉到內存管理的系統(tǒng)調用，文件系統(tǒng)（File System,FS）負責執(zhí)行文件系統(tǒng)的調用，盡管從它們的禁用的機器指令來看，它們與用戶進程運行在相同的特權級上，但它們的執(zhí)行優(yōu)先級比用戶進程高；4、用戶進程，包含所有的用戶進程shell、編譯器、編輯器以及用戶的a.out程序。 下面我們來了解minix的進程管理。計算機開機時，硬件從引導盤上將第一道第一扇區(qū)讀入內存并從那里開始執(zhí)行。Minix的引導程序裝入一個更大的程序boot，由boot裝入操作系統(tǒng)。一旦裝入操作系統(tǒng)完成，內核開始運行，在其初始化階段，內核先啟動各任務，然后是內存管理器、文件系統(tǒng)及所有在第三層運行的服務器。當所有這些都開始運行并完成初始化之后，它們將阻塞，等待執(zhí)行某種操作。當所有的任務和服務器被阻塞之后，將執(zhí)行第一個用戶進程，init。MINIX中兩條最重要的系統(tǒng)調用是FORK和EXEC，F(xiàn)ORK是創(chuàng)建一個新進程的唯一途徑，EXEC允許一個進程執(zhí)行一個指定的程序，當一個程序被執(zhí)行時，將按照文件頭中指定的大小為其分配一部分內存。 Minix中的進程間通信。Minix提供了三條原語來發(fā)送和接受消息，它們均通過C庫例程調用，send（dest，&message）用來向進程dest發(fā)送一條消息；receive（source，&message）用來從進程source（或任何地方）接受一條消息；send_rec（src_dst，&message）用來發(fā)送一條消息，并等待同一個進程的應答。了解完原理，我們再來看看minix源代碼的組織。源代碼從邏輯上分為兩個目錄。在一個標準的minix系統(tǒng)中，其完整路徑分別為/usr/include和/usr/src。Include/目錄包含了許多符合POSIX標準的頭文件，它又包含3個子目錄：1、sys/ 包含POSIX頭文件；2、minix/ 包含操作系統(tǒng)使用的頭文件；3、ibm/ 包含IBMPC特有定義的頭文件。Src/目錄包含3個重要的子目錄，其中包含了操作系統(tǒng)的源代碼：1、kernel/ 第1層和第2層（進程、消息和驅動程序）；2、mm/ 內存管理器代碼；3、fs/ 文件系統(tǒng)代碼。操作系統(tǒng)當然要支持在其上運行的命令，所以有一個很大的命令目錄src/commands/,其中包含工具程序（如cat、cp、data、ls、pwd）的源代碼。由于minix是一個用于教學的操作系統(tǒng)，這就意味著對它常常要做修改，所以有一個src/test/目錄包含有一些被設計用來對新編譯好的minix系統(tǒng)進行完整測試的工具。最后/src/inet/目錄包含了重新編譯minix以使之支持網絡的源代碼。二、設計思想 有了上面的理論指導，具體再實現(xiàn)某個實驗應該是比較容易了。對于本次實驗，我們應該具體分析進程在minix中實現(xiàn)機制。minix系統(tǒng)本身分為四個進程：kernel、mm、fs、init。而我們所要打印的PCB信息分別在kernel、mm、fs中，要想直接的到這些信息并不是一件容易的事情。因為所有的進程所占用的內存空間都是受一定保護的，更何況這里牽涉到的是操作系統(tǒng)本身的進程，用戶進程不可能直接對他們進行訪問，因此要得到所需要的信息有一定的困難。 Minix系統(tǒng)所有進程依靠消息進行通信和協(xié)作，包括kernel、mm和fs。所以，我們只能從這里開始。然而，系統(tǒng)本身并沒有給我們提供用來的到進程控制塊所有信息的方法，因此，修改內核、內存管理以及文件系統(tǒng)相應的代碼是必需的。據(jù)此，我們做出了如下的總體設計。 為了得到系統(tǒng)中的進程控制塊信息，我們必須取得對kernel、mm、fs三個進程的內存區(qū)域的訪問權，而最簡單的辦法就是修改系統(tǒng)的內核、內存管理、文件系統(tǒng)本身的源代碼，將我們所需要的功能在操作系統(tǒng)內部實現(xiàn)，這樣一來，就不存在了訪問權的問題。 我們這里要用到一個叫做“調用轉儲”的概念（操作系統(tǒng)：設計與實現(xiàn)第二版上冊第213頁）。在鍵盤驅動程序中kb_read的開始調用func_key來檢測用來控制和調試的掃描碼。在檢測到F1和F2鍵時調用的轉儲例程位于dmp.c中。首先，p_dmp（第14613行）為所有的進程顯示基本的處理信息，包括在按下F1鍵時顯示的內存使用信息。第二，map_dmp（第14660行）在按下F2時提供更詳細的內存使用信息。我們利用這個特性，增加了幾個功能鍵的定義：鍵功能F1顯示進程表F2顯示進程內存空間的詳細使用情況F3在硬件滾屏和軟件滾屏之間切換F5顯示以太網統(tǒng)計流量（如果網絡支持編譯）CF7（CtrlF7）發(fā)送SIGQUIT信號，同CTRL-效果CF8（CtrlF8）發(fā)送SIGINT信號，同DEL效果CF9（CtrlF9）發(fā)送SIGKILL信號，同CTRL-U效果F10顯示kernel中的PCB信息（除F1種已經有的）（我們的成果）F11顯示mm中的PCB信息（我們的成果）F12顯示fs中的PCB信息（我們的成果） 對于調用系統(tǒng)信息，我們采用功能鍵中斷方式直接由kernel接受中斷，在usr/kernel/keyborad中添加F10、F11、F12分別調用kernel、mm、fs中的子程序輸出該部分的進程信息。對于mm和fs我們還要在kernel里添加語句發(fā)送消息到mm和fs使之執(zhí)行相應的處理程序。 程序功能流程圖如下： Send(0, &message)Send(1, &message)kernelvirtual consoledo_printpcb打印kernel中的PCBdo_tomm將打印消息傳給mmdo_tofs將打印消息傳給fsfunc_keycase ：F10case ：F11case ：F12mm：main函數(shù)得到消息，并辨別出消息內容，調用pr_mprocpr_mproc打印mm中的PCBfs：main函數(shù)得到消息，并辨別出消息內容，調用pr_mprocpr_fproc打印fs中的PCB設計中的思路應該是基于學習過程中的重點，但在實踐中的靈活運用更為重要，如何能更方便更有效的完成要求，便是看自己對掌握的知識的深淺。Minix本身就是一種教學軟件，所以我們應該從另一個角度去做這個實驗，那就是那種方法更能幫助我們更好的理解理論知識，那種方法更能運用更多方面的知識。這樣，便會使我們能從多角度的理解問題，能更好的達到做實驗的目的。 三、編碼階段：首先，了解Minix的進程結構，Minix進程存放在內核、內存管理和文件系統(tǒng)三部分中，當在系統(tǒng)下鍵入F1F12時，Minix系統(tǒng)都會有相應。利用此原理，采用中斷方式顯示進程信息。所以，在src/kernel/keyboard.c中的func_key過程中添加F10、F11、F12的相應程序。程序改為如下：（注：其中黑體部分為Minix源程序，紅色粗體為我們添加的程序）PRIVATE int func_key(scode)int scode;/* scan code for a function key */* This procedure traps function keys for debugging and control purposes. */ unsigned code; code = map_key0(scode);/* first ignore modifiers */ if (code F12) return(FALSE);/* not our job */ switch (map_key(scode) /* include modifiers */ case F1:p_dmp(); break;/* print process table */ case F2:map_dmp(); break;/* print memory map */ case F3:toggle_scroll(); break;/* hardware vs. software scrolling */#if ENABLE_NETWORKING case F5:dp_dump(); break;/* network statistics */#endif case F10:do_printpcb();break;/*print pcb 2002.4.20。在 func_key過程中添加控制打印kernel的pcb中內容的F10的中斷代碼*/ case F11:do_tomm(); break;/*send to mm 2002.4.20。在func_key過程中添加控制打印mm的pcb中內容的F11的中斷代碼*/case F12:do_tofs(); break;/*send to fs 2002.4.20。在 func_key過程中添加控制打印fs 的pcb中內容的F12的中斷代碼*/ case CF7:sigchar(&tty_tableCONSOLE, SIGQUIT); break; case CF8:sigchar(&tty_tableCONSOLE, SIGINT); break; case CF9:sigchar(&tty_tableCONSOLE, SIGKILL); break; default:return(FALSE); return(TRUE); 有如上程序知道，按入F10鍵時，直接調用do_printpcb函數(shù)，而do_printpcb函數(shù)將進程在kernel中的內容打印在屏幕上，其程序如下：#include kernel.h #include #include proc.h /*在do_printpcb函數(shù)中用到的庫函數(shù)*/PRIVATE void do_printpcb() /*F10調用的打印kernel中pcb的函數(shù)*/ register struct proc *rp; /*定義一個指針來指向中斷時的某一進程*/ static struct proc *oldrp=BEG_PROC_ADDR; /*定義另一指針來指向進程的 地址，初始值為第一個進程的地址*/ int n=0; /*設置一個計數(shù)器，來存放在屏幕上顯示的行數(shù)*/ printf(nshow kernel info); /*開始打印pcb內容*/ printf(np_reg-sel-block-held-chu-chs-alam-carq-from-send-next-ping-pend-namen); /*打印要顯示的pcb中內容的具體名字*/ for(rp=oldrp;rpp_flags&P_SLOT_FREE) continue; /*在程序外設有標志位p_flag標明程序可以執(zhí)行，P_SLOT_FREE是標識還有空間給進程分配*/if (+n20) break; /*當打印完20行后使程序跳出*/ printf(n%6u%6x%5d%7d%7u%7u%5u%5x%5d%5d%3x%6x%2u%5c,rp-p_reg,rp-p_ldt_sel,rp-p_int_blocked,rp-p_int_held,rp-child_utime,rp-child_stime,rp-p_alarm,rp-p_callerq,rp-p_getfrom,rp-p_sendto,rp-p_nextready,rp-p_pending,rp-p_pendcount,rp-p_name16); /*將pcb中的各項具體數(shù)據(jù)按 列打印出來*/ if(rp=END_PROC_ADDR) rp=BEG_PROC_ADDR; else printf(n-more-r); oldrp=rp; /*檢驗進程是否結束，如果結束指針再指向新的進程，反之打印 more繼續(xù)打印本進程的內容*/當鍵入F11鍵時，調用do_tomm()過程，將打印的消息傳送到內存管理中去，其消息的內容是讓mm執(zhí)行第70條語句pr_mproc（在跳轉表src/mm/table.c中用戶定義）:PRIVATE void do_tomm()message mes;mes.m_type=70;send(0,&mes); /*定義do_tomm（）過程，將打印的消息傳到內存管理中去，讓其執(zhí)行第70條語句pr_mproc（在跳轉表src/mm/table.c中用戶定義），這就是消息傳遞的方法，給每個進程分配唯一地址*/當鍵入F12鍵時，調用do_tofs()過程，將打印的消息傳送到內存管理中去，其消息的內容是讓mm執(zhí)行第70條語句pr_fproc（在跳轉表src/fs/table.c中用戶定義）:PRIVATE void do_tofs()message mes;mes.m_type=70;send(1,&mes);/*這個過程同mm，只是將消息傳到fs中*/由以上的程序，完成了kernel部分的任務。然后，開始修改內存管理和文件系統(tǒng)相應代碼，以完成進程控制塊的輸出任務，在mm塊中，首先要更改src/mm/table.c的內容： no_sys,/* 68 = TASK_REPLY */no_sys,/* 69 = unused*/pr_mproc,/* 70 = Print Mproc Info user defined 2002.4.20。 在跳轉表中定義用戶進程，并分配地址。*/do_sigaction,/* 71 = sigaction */do_sigsuspend,/* 72 = sigsuspend */修改完改table表后，由kernel那傳來的第70信號，執(zhí)行pr_mproc,同時，pr_proc是由src/mm/proto.h定義的：/* forkexit.c */_PROTOTYPE( int do_fork, (void);_PROTOTYPE( void pr_mproc, () );/* User Difine 2002.4.20*/_PROTOTYPE( int do_mm_exit, (void);_PROTOTYPE( int do_waitpid, (void);_PROTOTYPE( void mm_exit, (struct mproc *rmp, int exit_status);在此完成的了pr_mproc()定義和調用,而pr_mproc的主程序在src/mm/forkexit.c中,完成了對mproc結構的內容的讀取和寫入屏幕：/*略去頭文件和所用到的庫函數(shù)，這些在源代碼中都有明確寫出*/int mm_count=0; /*定義一個計數(shù)器，因為pcb中的內容太多，一行不能全打 出所以這是一個所用屏幕數(shù)的計數(shù)器*/PUBLIC void pr_mproc() /*開始打印mm中的pcb內容*/ register struct mproc *rp;/*定義一個指針來指向中斷時的某一個進程*/ static struct mproc *oldrp=&mproc0;/*定義另一個指針指向進程的地址，初始值為第一個進程的地址*/ int n=0; /*設置一個計數(shù)器，來存放在屏幕上顯示的行數(shù)*/ printf(nSHOW stc/mm/mproc.hn); switch(mm_count)/*將pcb中的內容最多分為4個屏幕打出*/ case 0:printf(n-mp_exitstatus-mp_sigstatus-mp_pid-mp_procgrp-mp_wpid-mp_parentn);/*第一個屏幕打出的pcb內容*/for (rp=oldrp;rp20)break;/*打完一個屏幕程序跳出*/ printf(n%15d%14d%8d%12d%9d%11d,rp-mp_exitstatus,rp-mp_sigstatus,rp-mp_pid,rp-mp_procgrp,rp-mp_wpid,rp-mp_parent); break;/*按列打印出對應的具體數(shù)據(jù)內容*/ case 1: printf(n-mp_realuid-mp_effuid-mp_realgid-mp_effgid-mp_ino-mp_dev-mp_ctimen); for (rp=oldrp;rp20)break; printf(n%12d%11d%10d%11d%8d%8d%15d,rp-mp_realuid,rp-mp_effuid,rp-mp_realgid,rp-mp_effgid,rp-mp_ino,rp-mp_dev,rp-mp_ctime); break;/*打印第二個屏幕的內容，具體程序同第一個*/ case 2: printf(n-mp_ignore-mp_catch-mp_sigmask-mp_sigmask2-mp_sigpending-mp_sigreturnn); for (rp=oldrp;rp20)break; printf(n%11d%10d%12d%13d%15d%14d,rp-mp_ignore,rp-mp_catch,rp-mp_sigmask,rp-mp_sigmask2,rp-mp_sigpending,rp-mp_sigreturn); break;/*打印第三個屏幕的內容*/ case 3: printf(n-mp_func-mp_flags-mp_procargsn); for (rp=oldrp;rp20)break; printf(n%9d%10d%13d,rp-mp_func,rp-mp_flags,rp-mp_procargs); break;/*打印的第四個屏幕的內容*/ mm_count=mm_count+1; if (mm_count=4) mm_count=0;/*打印完所有內容，初始化mm_count*/dont_reply=TRUE;同樣，在文件系統(tǒng)中，要完成進程控制塊的輸出任務，也要更改相應的src/fs/table.c ： no_sys,/* 68 = TASK_REPLY*/no_sys,/* 69 = unused */pr_fproc, /* 70 = Print Fproc Info user defined 2002.4.20。 在fs跳轉表中為進程分配地址。*/no_sys,/* 71 = SIGACTION */no_sys,/* 72 = SIGSUSPEND */同樣，pr_fproc在src/fs/proto.c中有如下的定義： _PROTOTYPE(void pr_fproc, () );/*2002.4.20。聲明過程pr_fproc*/對于pr_fproc的主程序在src/fs/main.c中，完成了對mproc結構的內容的讀取和寫入屏幕：/*略去頭文件和所用到的庫函數(shù)，這些在源代碼中都有明確寫出*/int fs_count=0; /*定義一個計數(shù)器，因為pcb中的內容太多，一行不能全打 出所以這是一個所用屏幕數(shù)的計數(shù)器*/PUBLIC void pr_fproc()/*開始打印fs中的pcb內容*/ register struct fproc *rp;/*定義一個指針來指向中斷時的某一個進程*/ static struct fproc *oldrp=&fproc0; /*定義另一個指針指向進程的地址，初始值為第一個進程的地址*/ int n=0; /*設置一個計數(shù)器，來存放在屏幕上顯示的行數(shù)*/ printf(show src/fs/fproc.hn); switch(fs_count) /*將pcb中的內容最多分為3個屏幕打出*/ case 0: printf(n-fp_umask-*fp_workdir-*fp_rootdir-); printf(*fp_filpOPEN_MAX-fp_realuid-fp_effuidn); /*第一個屏幕打出的pcb內容*/ for(rp=oldrp;rp20)break; /*打完一個屏幕程序跳出*/ printf(%10d%11d%13x%20x%12d%11dn,rp-fp_umask,(rp-fp_workdir),(rp-fp_rootdir),(rp-fp_filpOPEN_MAX),rp-fp_realuid,rp-fp_effuid); break; /*按列打印出對應的具體數(shù)據(jù)內容*/ case1: printf(n-fp_realgid-fp_effgid-fp_tty-fp_fd-*fp_buffer-fp_nbytes-fp_cum_io_partialn);for(rp=oldrp;rp20) break; printf(%12d%11d%8d%7d%12c%11d%19dn,rp-fp_realgid,rp-fp_effgid,rp-fp_tty,rp-fp_fd,rp-fp_buffer,rp-fp_nbytes,fp-fp_cum_io_partial); break;/*打印第二個屏幕的內容*/ case2: printf(n-fp_suspended-fp_revived-fp_task-fp_sesldr-fp_pid-fp_cloexecn); for(rp=oldrp;rp20) break; printf(%14c%12c%9c%11c%8d%12ld,rp-fp_suspended,rp-fp_revived,rp-fp_task,rp-fp_sesldr,rp-fp_pid,rp-fp_cloexec); break;/*打印第三個屏幕的內容*/ fs_count=fs_count+1; if(fs_count=3) fs_count=0;/*打印完所有內容，初始化fs_count*/ dont_reply=TRUE;四、編譯階段：在完成了以上的文件的修改和編寫輸入后，存盤退出，轉到/src/tools目錄下，對Minix系統(tǒng)進行重新編譯，輸入： make在編譯通過后，在當前目錄下生成image文件，是Minix的映象文件，接著輸入： mount /dev/hd1a hd1a my image /hd1a/minix.test sync完成后，就可以停機重起！在monitor狀態(tài)下，鍵入hd0 image = minix.testhd0 save重新進入Minix ；這時Minix將相應我們定義的功能鍵！五、運行結果：F10 ( Kernel ) ：F10顯示在kernel中的進程信息，各項消息如下：p_reg-sel-block-held-chu-chs-alam-carq-from-send-next-ping-pend-name第一次鍵入F10將顯示20個進程信息（如果有這么多的話），其它未能顯示的（將會有more給出提示）進程將在再鍵入F10時顯示，每次顯示20個，直到全部顯示完畢。F11 ( MM ) :F11顯示在MM中的進程信息，由于信息內容較多，這需要多次輸入F11顯示更多的信息，同樣，如果未能顯示全部進程信息，將有提示再鍵入F11顯示更多進程的信息：-mp_exitstatus-mp_sigstatus-mp_pid-mp_procgrp-mp_wpi