(王道408考研操作系统)第二章进程管理-第一节3：进程控制（配合Linux讲解）

Posted 2021-11-22 快乐江湖

文章目录

• 一：如何实现进程控制
• 二：进程控制原语
• • （1）进程创建
  • • A：概述
    • B：补充-Linux中的创建进程操作
    • • ①：fork()
      • ②：fork()相关问题
  • （2）进程终止
  • • A：概述
    • B：补充-僵尸进程与孤儿进程
    • • ①：僵尸进程
      • ②：孤儿进程
  • （3）进程阻塞(Block)/等待(Wait)
  • • A：概述
    • B：补充-Linux中的进程等待
    • • ①：为什么进程需要被等待/阻塞
      • ②：进程阻塞式等待
      • ③：进程非阻塞式等待
  • （4）进程唤醒（Wake）
  • （5）进程切换

进程控制是指对系统中所有进程实施有效的管理，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换等功能。可以简单理解为实现进程状态转换

一：如何实现进程控制

还记的PCB吗？ 对，就是它。在学校中学校如果想要对我们进行管理，依靠的就是你的综测，在操作系统中要对进程进行控制依靠的就是PCB

在Linux的task struct结构体定义中（Linux是用C语言写的）大家可以很明显的看到一个字段叫做state

struct task_struct {
	volatile long state;	/* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */
	void *stack;
	atomic_t usage;
	unsigned int flags;	/* per process flags, defined below */
	unsigned int ptrace;

	int lock_depth;		/* BKL lock depth */

#ifdef CONFIG_SMP
#ifdef __ARCH_WANT_UNLOCKED_CTXSW
	int oncpu;
#endif
#endif
......
.....
...

既然这样，操作系统在实现进程状态控制时，就像记录学生成绩一样，进行删删改改，修修补补即可（当然没有这么简单）

• 创建进程：需要初始化PCB、分配系统资源
• 创建态->就绪态：修改PCB内容和相应队列
• 就绪态->运行态：恢复进程运行环境、修改PCB内容和相应队列
• 运行态->终止态：回收进程拥有的资源，撤销PCB
• 运行态->就绪态：(进程切换)需要保存进程运行环境、修改PCB内容和相应队列
• 运行态->阻塞态：需要保存进程运行环境、修改PCB内容和相应队列
• 阻塞态->就绪态：需要保存进程运行环境、修改PCB内容和相应队列。如果等待的是资源，则还需要为进程分配系统资源

二：进程控制原语

原语就是指原子性操作。“要么做要么不做，如果做了你就做完”，这就是原子性操作的含义，不能出现模棱两可的情况

进程控制是一个高度敏感的话题，如果出现控制方面的二义性问题话会导致一些不堪设想的后果，所以需要使用原语进行进程控制，采用“关中断”“开中断”实现原语操作，在执行期间不允许中断

接下来的三种原语中，无论哪一个原语，它们所做的事情无外乎以下三种

1. 更新PCB中的信息。比如修改进程状态标志、将运行环境保存到PCB、从PCB恢复运行环境等等
2. 将PCB插入至合适的队列
3. 分配/回收资源

（1）进程创建

A：概述

一个进程创建另一个进程，此时创建者称为父进程，被创建的进程称之为子进程

• 子进程可以继承父进程所拥有的资源；子进程撤销时，应将其从父进程哪里获得的资源还给父进程

创建新进程的过程如下

1. 申请空白PCB：为新进程分配一个唯一的进程标识号，并申请一个空白的PCB，若PCB申请失败，则进程创建失败
2. 为新进程分配所需资源：为新进程的程序和数据及用户栈分配必要的内存空间，注意若资源不足，进入阻塞态等待资源
3. 初始化PCB：主要包括初始化标志信息、初始化处理机状态信息和初始化处理机控制信息，以及设置进程的优先级等等
4. 将PCB插入就绪队列：若进程就绪队列能够接纳新进程，则将新进程插入就绪队列，等待被调度运行

可以引起进程创建的事件有

1. 用户登录：分时系统中，用户登录成功，系统会为其建立一个新的进程。比如Linux中的bash
2. 作业调度：多道批处理系统中，有新的作业放入内存时，会为其建立一个新的进程
3. 提供服务：用户向操作系统提出某些请求时，会建立一个进程处理该请求
4. 应用请求：由用户进程主动请求创建一个子进程。比如Linux中的系统调用fork

B：补充-Linux中的创建进程操作

上面所叙述的均是概述，并没有针对特定的操作系统，因此这里以Linux为例，展示一下在Linux中创建进程等操作，加深同学们的理解。如果想要了解更多请移步：Linux系统编程10：进程入门之系统编程中最重要的概念之进程&&进程的相关操作&&使用fork创建进程

fork()函数是用来创建进程的，在fork函数执行后，如果成功创建新进程就会出现两个进程，一个是子进程，一个是父进程，fork函数有两个返回值

①：fork()

1：演示一：创建子进程

编写如下C语言文件，进入主函数后，执行fork函数，创建进程

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{

	printf("执行到fork函数之前其进程为：%d，其父进程为：%d\\n",getpid(),getppid()); 
	sleep(1);
	fork();
	sleep(1);

	prinf("这个进程id为:%d,它的父进程id为%d\\n",getpid(),getppid());
	sleep(1);
	return 0;
}

运行效果如下

根据上面程序的运行效果，似乎可以发现下面比较值得注意的几点

1. 它们的逻辑关系有些特点
   
2. 从上面的动图可以发现，fork()函数调用完成之后，它们似乎是同时输出的，这是否告诉我们这两个进程是同时进行的？ 或许它可以被画成这样？
   

2：演示二：创建子进程
前面说过，fork有两个返回值。官方手册中是这样解释到的

• 在父进程中，fork返回新创建子进程的ID
• 在子进程中，fork返回0
• 未能创建，fork返回负值

在子进程中，fork函数返回0，在父进程中，fork返回新创建子进程的ID。我们可以通过fork返回值判断当前进程是什么进程。

根据以上描述，编写C语言代码，使用fork函数的返回值来进行分流

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
	prinf("还没有执行fork函数的本进程为：%d\\n",getpid());
	pid_t=fork();//其返回值是pid类型的
	sleep(1);
	
	if(ret>0)//父进程返回的是子进程ID
		printf("我是父进程，我的id是：%d,我的孩子id是%d\\n",getpid(),ret);
	else if(ret==0)//子进程fork返回值是0
		printf("我是子进程，我的id是%d，我的父亲id是%d\\n",getpid(),getppid());
	else
		printf("进程创建失败\\n");
		
	sleep(1);
	return 0;
}

效果如下
3：演示三：一个大的问题
为了方便演示，修改上述代码如下，为每个if语句块内加入死循环，使其能不断输出

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
	prinf("还没有执行fork函数的本进程为：%d\\n",getpid());
	pid_t=fork();//其返回值是pid类型的
	sleep(1);
	
	if(ret>0)//父进程返回的是子进程ID
	{
		while(1)
		{
			printf("----------------------------------------------------------------\\n");
			printf("我是父进程，我的id是：%d,我的孩子id是%d\\n",getpid(),ret);
			sleep(1);
		}
	}
	else if(ret==0)//子进程fork返回值是0
	{
		while(1)
		{
			printf("我是子进程，我的id是%d，我的父亲id是%d\\n",getpid(),getppid());
			sleep(1);
		}
	}
	else
		printf("进程创建失败\\n");
		
	sleep(1);
	return 0;
}

效果如下

同时再使用之前的命令查看这个进程，发现也是两个进程

但是这里有一个很大的问题：我们知道，不论是哪种编程语言，if-else执行时每次只能执行一路，怎么可能同时执行多路，同时每个if语句块内都有死循环，一个循环未结束，又怎么可能去执行其他语句呢

其实在Linux中，进程创建会形成链表，父进程创建子进程，那么父进程的进程指针会指向子进程ID。所以这两个进程是同时运行的

②：fork()相关问题

1.如何理解进程创建
前面说过，操作系统在进行管理时，必然遵循“先描述，再组织”的原则，所以在进行进程管理时。首先会创建相应的task_struct，写入有关信息，然后和你编写好的代码共同组成进程

2.为什么fork有两个返回值
根据上面的描述，可以大致描述fork函数的执行逻辑如下

pid_t fork()
{
	//先描述，再组织，所以首先为子进程创建结构体
	struct task_struct* p=malloc(struct task_struct);
	//以下逻辑就是写入属性信息
	p->XX=father->XX;
	....
	p->status=run;
	p->id=1888;
	
	//到这里之前，子进程创建完毕
	return p->id;

}

其实，进程数据=代码+数据，代码是共享的，数据是私有的，上述逻辑中return之前的语句是父进程执行，结果就是生成了子进程，等执行return语句时，子进程已经生成，于是父子进程同时执行这一条语句，又因为数据是私有的，所以各自返回不同的值

执行完fork之后，父进程pid不等于0，子进程pid等于0。这两个进程都是独立的，存在于不同地址中，不是公用的。
fork把进程当前的情况进行拷贝，执行fork时，fork只拷贝下一个要执行的代码到新的进程

为了说明变量不共用，可以编写一个C语言代码如下，同一个变量分别在父进程和子进程中修改

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
  int cout=0;
  printf("还未执行fork函数的cout=%d\\n",cout);
  pid_t ret=fork();
  if(ret>0)
  {
    cout+=1;//父进程cout=1；
    printf("父进程：cout=%d\\n",cout);
  }
  else if(ret==0)
  {
    cout+=10;//子进程cout=10；
    printf("子进程：cout=%d\\n",cout);
  }
  else 
    printf("失败\\n");

  sleep(1);
  return 0;
  

}

结果如下，可以发现它们不公用变量

3.为什么两个返回值不一样

其实很好理解，创建进程时相当于形成了链表（Linux）中，父进程指向子进程，所以返回的是子进程的ID，而子进程没有它的子进程，所以返回0。

再者从现实生活中理解，一个孩子肯定知道它只有一个爹，而一个爹可能有多个孩子，所以子进程在标识父进程时就不要做那么多的区分，但是父进程可能有多个子进程，它与它在区分不同的子进程时必须要使用PID。

4.为什么代码是共享的，数据是私有的

首先代码是不可修改的（还记得代码段，数据段吗？），还有下面的常量字符串其实反映的也是这个道理

const char* str1="Hello World";
const char* str2="Hello World";
//str1和str2地址相同

对于数据来说，如果数据不私有，造成的后果就是同一份数据在父子进程之间改来改去引起混乱

（2）进程终止

A：概述

操作系统终止进程的过程如下：

1. 根据被终止进程的标识符，检索PCB，从中读出该进程的状态
2. 若被终止进程处于执行状态，立即终止该进程的执行，将处理机资源分配给其他进程
3. 若该进程还有子孙进程，则应将其所有子孙进程终止
4. 将该进程所有用的全部资源归还给操作系统或其父进程
5. 将其PCB从所在队列中删除

引起进程终止的事件主要有：

1. 正常结束：表示进程的任务已经完成并准备退出运行
2. 异常结束：表示进程在运行时，发生了某种异常事件，使程序无法继续运行。比如存储区越界、保护错误、非法指令、特权指令错误、运行超时、浮点异常等等
3. 外界干预：指进程相应外界的请求而终止运行。比如操作员或操作系统干预、父进程请求或父进程终止

B：补充-僵尸进程与孤儿进程

上面所叙述的均是概述，并没有针对特定的操作系统，因此这里以Linux为例，展示一下在Linux中由于进程终止而产生的一些现象，加深同学们的理解。如果想要了解更多请移步：Linux系统编程10：进程入门之系统编程中最重要的概念之进程&&进程的相关操作&&使用fork创建进程

①：僵尸进程

简单点来说：僵尸进程就是子进程已经退出了，父进程还在运行当中，父进程没有读取到子进程的状态，子进程就会进入僵尸状态

使用下面的C语言程序模拟一个僵尸程序，子进程在10秒后利用exit退出，但是父进程一直在运行

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
   // printf("还没执行fork函数时的本进程为：%d\\n",getpid());
    pid_t ret=fork();//其返回值类型是pid_t型的
    sleep(1);
    if(ret>0)//父进程返回的是子进程ID
    {
      while(1)
      {
        printf("----------------------------------------------------\\n");
        printf("父进程一直在运行\\n");
        sleep(1);
      }
    }
    else if(ret==0)//子进程fork返回是0
    {
      int count=0;
      while(count<=10)
      {
        printf("子进程已经运行了%d秒\\n",count+=1);
        sleep(1);
      }
      exit(0);//让子进程运行10s
    }
    else
      printf("进程创建失败\\n");

    sleep(1);
    return 0;
}

效果如下，可以发现，在10s后，子进程已经退出，父进程还在运行

根据上面的定义，当子进程先退出，父进程还在运行，由于读取不到子进程的退出状态，所以子进程会变为僵尸状态。为了方便演示，使用下面的脚本，来每1s监控进程

while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep a.out | grep -v grep;sleep 1;echo "###########";done

效果如下，可以发现当子进程结束后，父进程还是在运行，此时进程太变为Z，也就是僵尸状态

那么为什么有僵尸进程呢？

其实道理也很简单，子进程是由父进程创建的，父进程之所以要创建子进程，其目的就是要给子进程分配任务，那么在这个过程中，子进程平白无故的没了，而父进程却不知道子进程到底把自己交给它的任务完成的怎么样，成功了还好，失败的话就能再交代一个进程去操作。
所以进程结束时一定要给父进程返回一个状态，父进程一直不读取这个状态的话，那么子进程就会一直卡在僵尸状态，其中像代码这些资源已经被释放，但是这个进程却没有真正退出，因为PCB还在维护它，直到父进程读取到它的状态，才能进入死亡状态

• 进程控制块中，一个进程退出后，还有一个退出码返回给父进程，如下是Linux内核中关于这部分的定义
  
• 在Linux中一行命令就是一个进程，那么这个命令的父进程是bash，那么命令在结束的一瞬间也会给bash返回一个状态码，bash作为父进程，就是依靠这个返回码来判断命令是否正常结束，如果状态码为某一个值即可判定为没有这样的命令。在Linux中可以用echo $?来查看上一个输入命令的状态返回码，命令正确返回0，否则返回非0
  

②：孤儿进程

孤儿进程就是父进程没了，子进程还在。那么根据上面的僵尸进程，子进程在退出后由于没有父进程来读取它的状态，所以会一直卡在僵尸状态，那么这样就会存在一个问题，它的内存资源谁来回收，通俗点将就会造成 内存泄漏

修改上面的代码，让父进程先挂，如下

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
   // printf("还没执行fork函数时的本进程为：%d\\n",getpid());
    pid_t ret=fork();//其返回值类型是pid_t型的
    sleep(1);
    if(ret>0)//父进程返回的是子进程ID
    {
      int cout=0;
      while(cout<10)
      {
        printf("----------------------------------------------------\\n");
        printf("父进程运行了%d秒\\n",cout+=1);
        sleep(1);
      }
      exit(0);//让父进程挂了
    }
    else if(ret==0)//子进程fork返回是0
    {
      int count=0;
      while(1)
      {
        printf("子进程已经运行了%d秒\\n",count+=1);
        sleep(1);
      }
    }
    else
      printf("进程创建失败\\n");

    sleep(1);
    return 0;
}

效果如下，这里还有一个现象就是，当父进程挂了之后，子进程一直在运行，并且ctrl+C，无法结束进程。这是因为ctrl+C此时结束的是父进程，但是父进程早已结束，子进程像孤儿一样四处游荡

除非使用killl才能将其杀掉

那么问题来了，这个进程难道一直要占用资源吗，其实操作系统在设计的时候就考虑到了这一步。所以一旦父进程先挂了，那么这个子进程就会被1号进程领养

依然使用下面脚本进行观察

while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep a.out | grep -v grep;sleep 1;echo "###########";done

效果如下，可以发现，当父进程挂了，这个进程的ppid，也就是父进程更换为了1号进程

1号进程是什么呢，其实就是systemd

（3）进程阻塞(Block)/等待(Wait)

A：概述

进程阻塞执行过程如下

1. 找到将要被阻塞进程的标识号对应的PCB
2. 若该进程为运行态，则需要保护其现场，将其状态转换为阻塞态，停止运行
3. 把该PCB插入相应事件的等待队列，将处理机资源调度给其他就绪进程

引起进程阻塞的事件有

1. 需要等待系统分配某种资源
2. 需要等待相互合作的其他进程完成工作

B：补充-Linux中的进程等待

上面所叙述的均是概述，并没有针对特定的操作系统，因此这里以Linux为例，展示一下Linux中的进程等待现象，加深同学们的理解。如果想要了解更多请移步：Linux系统编程17：进程控制之进程等待&&为什么进程需要被等待&wait方法和waitpid方法&&阻塞和非阻塞等待

①：为什么进程需要被等待/阻塞

前面的例子中说过，子进程退出后就变成了僵尸状态，一旦变成僵尸状态，这个子进程就如同僵尸一样，杀也杀不死（因为它已经死了），所以它必须需要让父进程读取到它的状态，回收子进程信息。只有这样，子进程才能得到“救赎”，“魂魄”才能归天，这属于进程需要被等待的一个典型例子

②：进程阻塞式等待

在上面的僵尸进程的例子中，修改代码子进程在10s后退出，父进程在10s后继续运行，运行至第15s，跳出循环，加入语句wailt(NULL)以回收子进程

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
   // printf("还没执行fork函数时的本进程为：%d\\n",getpid());
    pid_t ret=fork();//其返回值类型是pid_t型的
    sleep(1);
    if(ret>0)//父进程返回的是子进程ID
    {
	  int count=1;
      while(count<=15)
      {
        printf("----------------------------------------------------\\n");
        printf("父进程运行了%d秒\\n",count);
		count++;
        sleep(1);
      }
	  wait(NULL);//回收子进程
    }
    else if(ret==0)//子进程fork返回是0
    {
      int count=1;
      while(count<=10)
      {
        printf("子进程已经运行了%d秒\\n",count);
		count++;
        sleep(1);
      }
      exit(0);//让子进程运行10s
    }
    else
      printf("进程创建失败\\n");

    sleep(1);
    return 0;
}

如下可以发现，当父进程将子进程回收后，僵尸进程也消失了

如果父进程里只写上wait(NULL)，那么就表示父进程阻塞在这里，等着子进程死亡，回收子进程

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
   // printf("还没执行fork函数时的本进程为：%d\\n",getpid());
    pid_t ret=fork();//其返回值类型是pid_t型的
    sleep(1);
    if(ret>0)//父进程返回的是子进程ID
    {
		printf("父进程正在等待子进程死亡\\n");
		wait(NULL);//进程阻塞
		printf("子进程已经死亡，父进程退出\\n");
		exit(0);
	}
    else if(ret==0)//子进程fork返回是0
    {
      int count=1;
      (王道408考研操作系统)第二章进程管理-第一节2：进程状态及其切换

 (王道408考研操作系统)第二章进程管理-第一节4：进程通信（配合Linux）
 (王道408考研操作系统)第二章进程管理-第一节1：进程PCB及其特征
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