＜OS Concepts 9th＞ Chap 3 进程管理

本章目标：

• 介绍进程的概念：执行中的程序
• 描述进程的特征：如调度、创建、终止
• 探索进程间通信：使用共享内存和消息传递
• 描述客户端-服务端框架下的通信

Abbr.

PC: Program Counter

PCB: Process Control Block

PID: Process ID

IPC: InterProcess Communication

RPC: Remote Procedure Call

3.1 进程概念

进程

process vs program

program是在存储在内存中的可执行文件，而process是正在执行过程中的program，强调active，包含PC（Program Counter，指向下一条执行的指令）和一些相关资源

 

进程状态

同一时刻一个处理器上只能有一个进程在运行。

1. 新建态new
2. 就绪态ready
3. 等待态waiting
4. 运行态running
5. 终止态terminated

 

PCB 进程控制块

记录关于进程的一些信息：

• 进程状态
• PC
• CPU寄存器
• CPU调度信息：进程优先级，调度队列指针和一些调度相关的参数（chap 6）
• 内存管理信息（chap 8）
• accounting信息：CPU使用数量，时间限制，进程数量等
• I/O状态信息：分配给该进程的I/O设备信息

线程

现代操作系统拓展进程的概念，允许一个进程有多个线程同时执行，在multicore系统上尤为高效（chap 4）

3.2 进程调度

调度队列

Job Queue：系统中所有进程

Ready Queue：内存中处于就绪态的进程队列

Device Queue：每个I/O设备会有自己的进程队列

下图为队列图表示进程调度示例：

就绪态的进程一旦开始执行，可能出现以下几种情况

• 进程产生一个I/O请求于是被放入I/O队列
• 进程产生了一个子进程，子进程进入ready queue等待执行
• 时间片用完
• 需要等待某个中断操作，被移出CPU直到中断操作发生则重新进入ready queue

 

 

调度器

Long term scheduler（Job Scheduler）： 挑选放入ready queue的进程；调用不频繁；控制multiprogramming的程度

Short term scheduler（CPU Scheduler）：挑选接下来执行哪个进程；调用很频繁，ms级别

Medium term scheduler：灵活地remove和reintroduce进程。SWAP操作（chap 8）

进程可分为I/O bound 和 CPU-bound

上下文切换

• 切换时需要保存旧进程的状态并加载新进程之前的状态。
• 上下文Context：PCB中的信息
• 上下文切换的时间属于overhead，越少越好，切换所需时间依赖硬件

3.3 进程相关操作

进程创建

• 进程通过PID进行标识管理
• 父进程创建子进程（树状结构）
  • 资源共享：父进程和子进程之间可能共享所有/部分/无资源
  • 执行：并发执行或父进程等待子进程终止
  • 地址空间：子进程复制父进程；子进程单独load
• UNIX 例子
  • fork：创建新进程
  • exec：在fork后调用，将新程序加载进进程的内存空间

进程终止

• exit：进程执行完最后一条指令后就向OS请用删除它
  • wait：父进程获取子进程的输出返回
  • OS释放进程资源
• abort：父进程终止子进程
  • 子进程使用超出分配的资源
  • 任务不再需要执行
  • 父进程exit：子进程也终止（cascading termination）

3.4 进程间通信ipc

IPC（InterProcess Communication）包括shared memory和message passing两种model

 

内存共享

producer process：提供信息

comsumer process：获取信息

在内存中开辟一块由producer和consumer共享的buffer。

• unbounded buffer：producer可以源源不断提供新信息
• bounded buffer
  • 通过in和out两个标记循环使用buffer
  • in标记buffer中下一个空闲的位置，for producer填入
  • out标记buffer中第一个有信息的位置，for consumer获取
  • in == out 时说明buffer空
  • （in + 1） % BUFFER_SIZE == out时说明buffer满

消息传递

• Naming
  • 直接通信
    • 定义：send(P, message) & receive(Q, message) P\Q为对应进程
    • 性质
      • 自动连接
      • 一个link只连系一对processes
      • link可以是单向的，通常是双向的
  • 间接通信
    • 定义：message通过mailboxes（A.K.A ports）传送
    • 每个mailbox有唯一对应的id
    • 性质
      • 进程共享一个mailbox时才连接
      • 一个link可以连系多个processes
      • 一对processes可以有多个links
      • 单向或双向
• 同步Synchronization
  • Synchronization：Blocking， sender和receiver交替进行，不可同时
  • Asynchronization：Non-Blocking，sender和receiver可以同时进行
• 缓存
  • 无论是直接还是间接通信，交换的信息都在一个临时队列里，这种队列有三种方式
    • zero capacity：发送端在接收端收到之前必须block
    • bounded capacity：有限的信息可以暂存在队列中
    • unbounded capacity

3.5 IPC系统例子

本节介绍了POSIX shared memory和Mach message passing的例子，有基础的API使用，略。

Windows使用ALPC（advanced local procedure call）进行信息传输，类似标准的RPC（3.6.2），略。

3.6 Client-Server系统通信

Sockets

• 定义：通讯的endpoint，由ip address+port number组成
  • ip address：定位设备
    • 127.0.0.1 表示本机
  • port number
    • 定位进程使用的”mailbox“
    • 16位 65536个
    • 0~1023个为一些通用的
      • FTP —— 21
      • SSH —— 22
      • DNS —— 53
      • HTTP —— 80
      • HTTPS —— 443
  • 一个通讯一定有两个sockets
  • 一个进程可以有多个port
• Java提供三种不同类型的sockets
  • TCP：定向连接，例如获取当前时间
  • UDP：Connectionless，不需要建立connection，易丢包
  • Multicast：广播，多个接收方

RPC

• Remote Procedure Call : 本机通过网络调用远端remote上的程序
• Stub：local上的remote代理，local和stub通讯来控制remote
  • 定位remote的位置并把要传给remote的参数进行包装（marshall）

 

• 通过matchmaker port获取通讯使用的port number
• daemon（发音DEE-muhn）是一段连续运行的程序，用于处理计算机系统希望接收到的阶段性的服务需求

Pipes

full-duplex：数据可同时双向传输

half-duplex：支持双向，但不能同时，即同一时间只能单向

Simplex：只能单向

Original Pipes

• UNIX将pipe当作文件一样对待，通过系统调用read和write来access
• fd (file descriptor)
  • fd[0]: read-end of the pipe
  • fd[1]: write-end of the pipe
• pipe通信
  • 父进程通过fork创建pipe与子进程通信
  • 进程外不可访问
  • 子进程继承pipe

 

Named Pipes

• 双向通信 & 没有父子关系，更powerful
• 一个pipe一旦建立，可被多个进程用于通信（可有多个writers

例子：UNIX命令行中， | 可创建pipe，如 ls | grep example

Takeaways

1. 进程的五种状态
2. 进程切换时save & load PCB
3. 进程间通信
   1. shared memory
   2. message passing
      1. socket ： ip + port
      2. RPC： stub
      3. pipe