操作系統(tǒng)中進程管理的基本原理

操作系統(tǒng)中進程管理的基本原理作者：石瑩(2010-6-27)作者信箱：wondersy0618@163.com刖言文章借助王爽老師編寫的Toyix操作系統(tǒng)，通過對一個個程序的執(zhí)行結果的分析，向讀者演示了操作系統(tǒng)中進程的基本原理和基本特性。這篇文章面向已經(jīng)掌握c語言和數(shù)據(jù)結構的操作系統(tǒng)的初學者。讀者除了學習其中的知識，更應該學習體會文章中分析探索問題的方法，并在以后的計算機學習中應用這些方法。這些學習的能力是比知識更重要的東西。文章在編寫過程中參考了Toyix簡易教程，《計算機操作系統(tǒng)》（西安電子科技大學出版社），《匯編語言》（王爽）操作系統(tǒng)發(fā)展的意義在沒有出現(xiàn)操作系統(tǒng)以前，計算機只能在一段時間執(zhí)行一段程序，程序因為IO請求等原因發(fā)生阻塞時，CPU會處于空閑狀態(tài)造成資源的浪費。因為早期的計算機價格昂貴，用戶就希望可以更高效的利用計算機資源。這種需求就促進了操作系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展。進程我們今天使用的操作系統(tǒng)主要是分時系統(tǒng)，由調度程序調入的多個作業(yè)共享CPU資源，其中每個作業(yè)只執(zhí)行極短的一段時間（比如0.1S，我們稱為一個時間片），極短的時間過后暫停執(zhí)行，調入下一個程序。這樣在不長的一段時間內（比如5s內），有限的進程（少于50個）都可以得到至少一次的執(zhí)行，用戶請求可以得到及時的響應。這種作業(yè)調度的方式我們稱為時間片輪轉法。這種執(zhí)行的方式叫并發(fā)執(zhí)行，并發(fā)性也是分時系統(tǒng)的基本特性之一。在分時系統(tǒng)中，為了執(zhí)行一項作業(yè)，就需要把要執(zhí)行的作業(yè)程序載入內存中作為程序段，為作業(yè)分配相應的數(shù)據(jù)空間作為數(shù)據(jù)段，并加入一個控制塊（PCB），用來保存當前作業(yè)執(zhí)行所必須的一些信息，使之能夠并發(fā)執(zhí)行。內存中的程序段、數(shù)據(jù)段和PCB我們稱為一個進程實體，而一個進程實體的執(zhí)行過程我們稱為進程。

進程的三種基本狀態(tài)我們已經(jīng)知道了進程實際是一個動態(tài)的概念，我們再回到分時系統(tǒng)的原理上。分時系統(tǒng)是給一個進程分配一個時間片，讓這個進程執(zhí)行，當進程時間片用完以后，為下一個進程分配時間片。當進程執(zhí)行過程中發(fā)生阻塞，則主動讓出CPU控制權，給其它進程執(zhí)行的機會。分析上面的過程，每一時刻只有一個進程處于執(zhí)行的狀態(tài)。而有多個進程處于等待分配時間片的狀態(tài)，這多個進程應該遵循一定的順序。事實上是存在于一個隊列中。這種等待分配時間片的狀態(tài)我們稱為就緒狀態(tài)，存放就緒進程的隊列就稱為就緒隊列。當CPU處于空閑狀態(tài)時，調度程序就會從就緒隊列中取出一個進程并執(zhí)行。當進程時間片用完后，調度信息就會把這個進程放入到就緒隊列中。除了時間片用完，當進程IO請求時，進程會在IO請求完畢之前無法繼續(xù)執(zhí)行，這類情況我們稱為進程的阻塞（可能出現(xiàn)進程阻塞的有IO請求，申請緩沖空間等）。當出現(xiàn)進程阻塞后，調度程序應該怎么處理呢？首先進程肯定不能放入就緒態(tài)，因為放入就緒態(tài)就有可能被分配時間片，而此時進程不能繼續(xù)執(zhí)行，這就浪費了CPU資源。調度程序對其進行的處理是將其放到一個阻塞隊列中，當10完成時，再把它放回就緒隊列等待分配時間片。圖1進程就緒態(tài)、執(zhí)行態(tài)和阻塞態(tài)的關系圖1圖1進程就緒態(tài)、執(zhí)行態(tài)和阻塞態(tài)的關系使用Toyix查看進程的三種狀態(tài)Toyix是一個專門為操作系統(tǒng)的基礎理論教學而編寫的系統(tǒng)，通過這個系統(tǒng)可以很方便的模擬進程的創(chuàng)建執(zhí)行過程。啟動toyix系統(tǒng)，如圖從Toyix網(wǎng)站（/）下載系統(tǒng)并安裝（具體安裝方式請參考網(wǎng)站教程）啟動toyix系統(tǒng)，如圖Toyix操作系統(tǒng)支持絕大部分常用的dos命令，我們可以使用dos下的編程方式進行編程?？梢允褂胐os下的工具編寫程序源碼，如圖<Co->C：>edit1-c下面我們編寫一個程序，用來演示程序的三種狀態(tài)#include<toyix.h>main()(inti;for(i=0;i<80;i++)(put_str(3,i,2,"a");delay(30);}get_char();for(i=0;i<80;i++)(put_str(5,i,2,"b");delay(30);}分析上面的程序，程序中引入toyix庫toyix.h文件是為了使用toyix系統(tǒng)提供的關于的函數(shù)。程序首先在循環(huán)內調用put_str在屏幕第三行輸出字符a（關于put_str的用法，請參考toyix函數(shù)手冊），每輸出一次延時30ms。然后調用get_char函數(shù)阻塞式獲得用戶輸入。最后再通過一個循環(huán)在屏幕第五行輸出一行字符b。下面我們在toyix下編譯這個程序。toyix提供的c語言編譯命令是cc，使用方式是“ccc語言源文件文件名”，如圖<Co->C：>cc1-cCompiling...1.c:Auailablememovy208664Linking...Making...1-prg<Co.>C：>程序已經(jīng)編譯，連接成功，產(chǎn)生了toyix下的可執(zhí)行文件2.prg，prg是toyix下可執(zhí)行文件的后綴名。下面運行這個程序。Toyix中運行一個可執(zhí)行文件的命令是do,使用方法是“do可知性文件的文件名”，注意不需要加后綴名，如圖<Co.>C：>do1然后以后就看到了toyix程序運行時的界面blocked：ToyixMultiprocessMonitorU0.03

blocked：ToyixMultiprocessMonitorU0.03屏幕上邊的藍條是toyix進程監(jiān)視器，通過它我們可以方便的知道每個進程所處于的狀態(tài)。其中running后指示的是處于運行狀態(tài)的進程id，ready后指示的是處于就緒狀態(tài)的進程id，blocked指示的是處于阻塞狀態(tài)的進程id?？梢钥吹轿覀兊某绦蛞呀?jīng)準備完畢，按任意鍵開始執(zhí)行。程序應該是處于就緒態(tài)，進程id是1。而此時沒有更多的任務，CPU處于空閑狀態(tài)，running處用一個紅色的0表示。按任意鍵開始執(zhí)行程序running：1ready： blocked： ToyixMultiprocessMonitoruO.S31.prgokHaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa程序開始在屏幕輸出a，此時程序處于運行態(tài)。一行輸出完畢，程序會請求用戶輸入，如圖running:0ready: blocked：1 ToyixMultiprocessMonitorU0.031.prg<15ok可以看到ID為1的進程此時處于阻塞態(tài)。按任意鍵，使程序繼續(xù)執(zhí)行running：1ready： blocked： ToyixMultiprocessMonitoru0.031.prg<1>okaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaabbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb如圖，程序進入運行態(tài)繼續(xù)輸出字符b，知道程序運行結束。事實上，進程應該有一個進入就緒態(tài)的過程，再由操作系統(tǒng)取出就緒進程分配時間片后進入運行態(tài)，但是因為時間太短(Toyix系統(tǒng)每個時間片大概是50ms)，我們沒有看到那個狀態(tài)。進程與輕權進程我們已經(jīng)知道，操作系統(tǒng)的多個進程處于并發(fā)執(zhí)行的狀態(tài)。一個進程p1可以創(chuàng)建另一個進程p2,我們稱p2為p1的子進程，p1為p2的父進程。每個進程都會有一個進程實體，下面我們研究父進程與子進程進程實體之間的聯(lián)系我們可以應用c語言的某些特性來進行研究，比如我們可以通過下面的程序來輸出一個變量在內存中的位置#include<toyix.h>inti=0;main()(printf("\n%d:%d\n",_DS,&i);} —blocked：ToyixMultiprocessMonitoru0.03執(zhí)行后就得到了變量i的段地址和偏移地址(4324d:3216d)blocked：ToyixMultiprocessMonitoru0.03running：0ready4.prg<1>okPress key■■■4324:3216

也可以通過下面這段程序來打印main函數(shù)的地址#include<toyix.h>inti=0;main()(printf("\n%d:%d\n",_CS,main);} —blocked:ToyixMultiprocessMonitoru0.03執(zhí)行后獲得了main函數(shù)的段地址和偏移地址(4324d:0785dblocked:ToyixMultiprocessMonitoru0.03running：0ready4.prg<1>okPressemykey■■■4324:785通過以上兩種方法，我們可以得到一個進程的數(shù)據(jù)和代碼在內存中的位置。Toyix為我們提供了兩個簡單的創(chuàng)建進程的函數(shù)fork()和frk()，這兩個函數(shù)的調用方法我們不做具體介紹，請參考toyix的函數(shù)手冊。下面我們分別研究這兩個函數(shù)創(chuàng)建進程的差別。編寫下面的程序#include<toyix.h>inti=-1;main()(i=fork();printf("\n\n\nCallforkreturnvalueis%d\n",i);printf("\nPID=%d\n",get_pid());printf("\nFunctionmainoftheaddressis%d:%d\n",_CS,main);printf("\nVariableioftheaddressis%d:%d\n",_DS,&i);delay(500);}分析這個程序，這個程序調用fork()函數(shù)創(chuàng)建的新的進程，并在每個進程中輸出fork()函數(shù)返回值(判斷父進程還是子進程)，當前進程ID，main函數(shù)的地址，變量i的地址。運行這個程序如圖，通過fork()函數(shù)的返回值我們判斷，pid為1的進程為父進程。而且父進程與子進程數(shù)據(jù)段和代碼段均不相同。這說明通過fork()函數(shù)創(chuàng)建的進程數(shù)據(jù)與代碼不共享。下面我們用同樣的方法研究通過frk()函數(shù)創(chuàng)建的進程，修改上面的程序#include<toyix.h>inti=-1;main()(i=frk();printf("\n\n\nCallforkreturnvalueis%d\n",i);printf("\nPID=%d\n",get_pid());printf("\nFunctionmainoftheaddressis%d:%d\n",_CS,main);printf("\nVariableioftheaddressis%d:%d\n",_DS,&i);delay(500);}這個程序與上面的程序基本相同，只是把fork()函數(shù)改為了frk()函數(shù)，在toyix中運行這個程序我們發(fā)現(xiàn)，pid為1的進程為父進程，父進程與子進程代碼段不同，但是數(shù)據(jù)段相同。這說明，通過frk()創(chuàng)建的進程數(shù)據(jù)段共享，代碼段不共享。這種進程我們稱為輕權進程。我們?yōu)槭裁匆獎?chuàng)建輕權進程呢？創(chuàng)建進程是為了提高系統(tǒng)資源利用率，但是因為進程擁有自己的數(shù)據(jù)段。進程的創(chuàng)建需要申請數(shù)據(jù)空間，銷毀需要釋放數(shù)據(jù)空間，切換進程需要保存并重新設置CPU寄存器現(xiàn)場。進程的創(chuàng)建，切換和銷毀都需要消耗大量的CPU資源。有時我們需要把自己的一個進程分成幾部分同時處理。比如程序中有一段代碼會循環(huán)等待用戶輸入，而用戶的是否輸入并不會影響我們程序的繼續(xù)運行，我們不希望等待用戶輸入時主程序也進入阻塞狀態(tài)。我們可以將用戶輸入的部分創(chuàng)建一個新的進程，但是事實上這個進程并不需要分配新的數(shù)據(jù)空間。那么就出現(xiàn)了沒有自己獨立的數(shù)據(jù)空間的進程，也就是輕權進程。輕權進程在創(chuàng)建，切換和銷毀時消耗的資源比進程都小的多。下面我們做這樣一個實驗。編寫下面的程序#include<toyix.h>main()(frk();printf("\nPID=%d\n",get_pid());} —程序中調用frk()創(chuàng)建輕權進程以后每個進程打印自己的進程id。在toyix下運行并查看結果running-prg<1>ressan</ID=10readyrunning-prg<1>ressan</ID=10readyokkey-..blockedToyixMultiprocessMonitoru0.可以看到運行結果與我們預想的不太一樣，只打印了一個進程的pid，另一個沒有打印。這是為什么呢？我們修改一下這個程序#include<toyix.h>main()(frk();printf("\nPID=%d\n",get_pid());delay(100);與前一個比較，這個程序多調用了一個延時功能。再看運行結果runn:0ready：okkey...blockedToyixMultiprocessMonitoru0.03runn:0ready：okkey...blockedToyixMultiprocessMonitoru0.03我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在的顯示結果正確了?，F(xiàn)在為什么正確了呢？我們分析第一個程序，主進程創(chuàng)建進程以后，打印輸出自己的進程id。此時子進程還沒有得到執(zhí)行的機會，父進程就運行結束了，子進程也被銷毀。子進程雖然創(chuàng)建了，但是并沒有得到執(zhí)行。所以出現(xiàn)了錯誤的結果。第二個程序中，在父進程打印出自己的進程id以后，通過延時給子進程執(zhí)行的機會，子進程進入運行態(tài)，打印子進程pid，輸出結果正常。以上分析表明，如果父進程結束，操作系統(tǒng)會銷毀它創(chuàng)建的所有輕權進程。這很容易理解，因為輕權進程是沒用數(shù)據(jù)空間的，它共享父進程的數(shù)據(jù)空間。而父進程銷毀時，數(shù)據(jù)空間會被釋放，此時如果子進程繼續(xù)執(zhí)行，可能訪問已經(jīng)釋放掉的空間，這是不安全的。這一部分我們講述了進程與輕權進程的一些差別。簡單來說，進程是可以獨立運行的最小單位。而輕權進程是可供操作系統(tǒng)調度的最小單位。后面我們要繼續(xù)講述怎樣在我們編寫的程序中更方便的創(chuàng)建多個輕權進程。使用cobegin創(chuàng)建輕權進程通過以上的學習我們知道，為了更高效的利用資源，我們編寫的程序可能要創(chuàng)建多個輕權進程。但是使用frk()創(chuàng)建的進程只能在兩個進程中執(zhí)行同一段代碼，這樣的進程是沒有實際意義的。為了方便的創(chuàng)建輕權進程，toyix為我們提供了cobegin函數(shù)。Toyix函數(shù)手冊中對這個函數(shù)的描述如下：原型：intcobegin();功能：創(chuàng)建多個子進程并發(fā)執(zhí)行函數(shù)參數(shù):函數(shù)名用0結束，例如：cobegin(f1,f2,f3,0);返回：創(chuàng)建子進程的個數(shù)說明：所有子進程共享數(shù)據(jù)段，主進程撤銷，所有子進程將被撤銷。我們編寫一個程序，通過cobigin函數(shù)來創(chuàng)建多個輕權進程。#include<toyix.h>voidf1()(printf("\nfunctionf1,pid=%d\n",get_pid());TOC\o"1-5"\h\z} —voidf2()(printf("\nfunctionf2,pid=%d\n",get_pid());} —voidf3()(printf("\nfunctionf3,pid=%d\n",get_pid());} —main()(printf("\nfunctionmain,pid=%d\n",get_pid());cobegin(f1,f2,f3,0);delay(100);}在這個程序中，main函數(shù)首先輸出自己的pid，然后調用cobegin函數(shù)將f1,f2,f3函數(shù)分別作為一個輕權進程運行，在每個輕權進程里，打印自己的函數(shù)名和pid。運行結果如圖多進程引發(fā)的問題下面我們要應用多進程技術編寫一個模擬火車售票系統(tǒng)的程序。在火車票售票中心的服務器上，保存著未售出的火車票數(shù)量。而各地有很多代售點，他們在售票時會連接到售票中心檢查火車票剩余情況，如果還有剩余票，那么賣出這張牌，同時通知售票中心車票被賣出。編寫程序實現(xiàn)這個過程，首先創(chuàng)建一個全局變量，用來保存剩余票數(shù)。編寫一個函數(shù)用來模擬一個售票窗口的售票流程。再通過在main函數(shù)中調用cobegin函數(shù)創(chuàng)建多個輕權進程，模擬多個窗口售票。程序代碼如下：

#include<toyix.h>inttotal=10;voidf1()(while(total>0)(delay(50);printf("\npid=%d,sellticket:%d",get_pid(),total--);} —}main()(cobegin(f1,f1,0);getch();}在單個窗口的售票流程中，首先檢查剩余票數(shù)是否大于0，如果大于0，那么延時一段時間(模擬真實情況)，然后賣出這張票，再令剩余票減一。在toyix系統(tǒng)中運行，模擬結果如圖running：1ready：1.prg<1>okPressanyke</.--pid=2,sellticketpid=3,sellticketpid=2,sellticketpid=3,sellticketpid=2,sellticketpid=3,sellticketpid=2,sellticketpid=3,sellticketpid=2,sellticketpid=3,sellticketpid=2,sellticketrunning：1ready：1.prg<1>okPressanyke</.--pid=2,sellticketpid=3,sellticketpid=2,sellticketpid=3,sellticketpid=2,sellticketpid=3,sellticketpid=2,sellticketpid=3,sellticketpid=2,sellticketpid=3,sellticketpid=2,sellticket019876543210blocked:ToyixMultiprocessMonitoruS.03我們發(fā)現(xiàn)一個問題，售票窗口售出了0號票，這在實際應用中是不允許的。為什么會發(fā)生這種情況呢？我們再分析剛才的程序，為了分析簡單，我們假設假如程序運行了一段時間，還有一張票未售出。程序中每個輕權進程的執(zhí)行過程如下圖所示。(虛線代表阻塞態(tài)或就緒態(tài)，實現(xiàn)代表運行態(tài))total:total:主進程:主進程創(chuàng)建完輕權進程P1和P2后，在獲得用戶鍵盤輸入之前一直處于阻塞態(tài)沒有獲得時間片主進程:a)P1獲得時間片，檢測到total>0,進入售票程序延時一段時間，還未售票時間片已經(jīng)用完輕權進程P1：c)P1獲得時間片繼續(xù)運行，售票程序售出這張票后，令total減一。再次檢測total=0，循環(huán)結束，進程結束b)P2獲得時間片，與a中處理過程相同輕權進程P2： id)P2獲得時間片，售票后退出。但是此時total=0，所以售出了0號票此時一個進程(pid=2)檢查total的值，檢測到大于0進入售票程序，調用delay延時(注意票并沒有售出，tatal仍為1)。此時另一個輕權進程(pid=3)獲得了時間片開始運行，仍會檢測tatal的值，同樣進入了售票程序，調用delay延時。調度程序調出剛才的輕權進程(pid=2)的進程繼續(xù)執(zhí)行，售出1號票并將票數(shù)減1，再次檢測tatal小于0，pid為2的輕權進程結束退出。Pid為3的輕權進程回到剛才的狀態(tài)繼續(xù)售票，而此時tatal為0，所以售出了0號票。顯然，在這個實驗中如果沒有延時操作，可能不會出現(xiàn)這樣的情況。但是在一個長期運行的多個輕權進程的系統(tǒng)中，很有可能出現(xiàn)這種兩個輕權進程訪問同一資源時出錯的問題。增加一個延時只是放大了這種問題。通過上述分析，我們了解了一個進程通過創(chuàng)建多個輕權進程雖然可以提高資源的利用率，但是在訪問同一資源時可能引起一些問題。為了解決這些問題，我們必須在不同輕權進程訪問同一資源時進行一些判