Linux学习05——进程管理与控制

概述

学习目标：

• 理解逻辑流、并发流基本概念
• 理解进程概念、结构与描述
• 理解进程基本状态及状态转换关系图，了解进程PCB组织，分辨进程与程序的区别与联系
• 掌握利用进程创建、程序加载、进程终止、进程撤销进行多进程并发编程基本方法
• 理解多进程并发执行特征，掌握程序并发运行的基本分析方法
• 理解信号机制与应用，掌握利用信号机制编程基本框架
• 理解守护进程概念，了解应用编程方法
• 进程基本概念(属性、结构、组织、基本状态与转换)
• 进程创建与程序加载
• 多进程并发特征
• 进程等待、终止、回收 非本地跳转与应用
• 信号机制及应用
• 守护进程编程

5.1 逻辑控制流和并发流

逻辑控制流

• 逻辑流：在多进程运行环境下，一个程序（或进程）按程序员意图，从main函数开始，一个一个语句，一条一条指令执行，执行轨迹为一系列程序计数器（PC）的值，给人一种每个程序都独占处理器的假象，而一般整个系统可能仅有一个CPU，各进程轮流执行，我们称进程为一个逻辑流
• 实际上，每个进程的执行过程是不连续的，它们交替使用处理器
• 处理器在不同进程间切换有两种原因：

1. 主动放弃CPU：如进程执行耗时的I/O操作时(比如执行C语言的scanf语句)
2. 进程被动放弃CPU：比如本次分配给进程的时间配额已经用完，或有紧迫程度更高的任务要执行，操作系统强行夺走CPU

• CPU控制发生转移的时机：一般都在中断响应之时，因为只有这个节骨眼操作系统能介入控制，中断有外部中断、时钟中断等
• 逻辑流示例：进程、中断（异常）处理程序、信号处理程序、线程和Java进程。

并发概念

•  并发：指多个活动在同一时间段内同时进行。

1. 日常生活中并发：日常生活中普遍存在，也是操作系统最基本的特征。
2. 计算机系统中并发：体现为多任务、多进程、多线程的并发执行

• 并发有何用途

1. 操作系统的多任务管理能力，使我们能够很好地驾驭对并发活动的复杂管理，开发出各种功能强大的信息管理系统、网络应用、购物平台；
2. 充分发挥计算机硬件系统强大的处理能力，满足信息查询、网络购物等应用需求

并发流及相关概念

• 并发流：一个逻辑流的执行在时间上与另一个流存在重叠情况，这两个流被称为并发地运行，生命周期存在重叠的2个进程是并发流，或称并发进程。
• 并发(concurrency)：多个流并发地执行的一般现象
• 多任务(multitasking)：一个进程和其他进程轮流运行的概念
• 时间片(time slice) ：每次分配给一个进程的执行时间称之为时间片(time slice)，进程也因此划分为多个时间分片(time slicing)。
• 判断方法：某种可能的执行模式在时间上存在重叠，它们就是并发流。

并发与并行

•  并发流：如果两个流在时间上重叠，那么它们就是并发的，即使它们是运行在同一个处理器上的。
• 并行流：如果两个流同一时刻运行在不同的处理器核或者计算机上，那么我们称它们为并行流(parallel flow)，并行流在某段时间内同时执行。
• 并行流是并发流的一个真子集。

5.2 进程的概念

5.2.1 进程概念、结构与描述

进程

• 不严格的定义：进程是正在执行中的程序
• 较为严格的定义：进程是程序在一个独立数据集上的执行过程。
• 示例： Shell窗口、Linux 命令执行过程
• Linux系统进程家庭： Linux允许多个用户同时登录系统。每个用户可以同时运行许多个程序，或者同时运行同一个程序的许多个实例，每个程序运行实例都是一个进程。系统本身也运行着一些管理系统资源和控制用户访问的程序

进程结构

作为程序执行过程的进程，至少需包含三项内容：程序代码、数据集和进程控制块(PCB, Process Control Block)

• 程序代码：一般是一个包括main函数的可执行程序，程序装载到内存，进程才能启动
• 数据集：进程的处理对象，可认为是变量内容，保存初始化信息、环境变量、命令行参数和文件的数据
• PCB：保存程序代码、数据变量地址、进程其他属性，PCB是进程存在的唯一标志，以后操作系统就通过PCB来对进程实施管理和控制

进程属性（保持在PCB中）

 （1）进程描述信息：        

• 进程号（PID）        
• 用户标识          
• 用户组标识          
• 进程族亲信息：父进程标识、兄弟进程标识

（2）进程控制信息          

• 进程状态          
• 调度信息：优先级、剩余时间片和调度策略          
• 记时信息：CPU使用时间等          
• 通信信息：未处理信号、管道、信号量、消息队列、共享内存等

（3）进程资源信息        

• 存储器地址        
• 打开文件的信息

（4）CPU现场信息        

• 当前进程CPU寄存器副本：程序计数器PC、通用寄存器、                                              
• 标识寄存器FLAGS

PCB实例(Linux任务结构体：task_struct)

5.2.2 进程的基本状态及状态转换

一般根据CPU对资源拥有情况，定义三种基本状态：

• 就绪状态(ready state)。进程已分配到除CPU以外的所有必要资源，只要获得CPU，便可立即执行，该状态为就绪状态
• 运行状态（也称执行状态， running state）：进程已包括CPU在内的所有运行所需资源，正在执行中
• 阻塞状态(blocked state)：正在执行的进程因请求资源、等待事件发生、等待I/O等原因，而暂时无法继续执行时，进入阻塞状态

实际操作系统设计中，往往还需增加2个状态：

• 创建状态：正在创建且尚未完成创建过程的进程(处于胎儿期）所处的状态称为创建状态
• 终止状态：进程终止后并不立即将其清理，而是让其进入终止状态。

5.2.3 对进程PCB进行组织

Linux系统以双向链表、树形链表等多种形式进行组织：

（1）双向链表队列

• 根据进程状态将进程PCB按双向链表组织成多个双向链表，
• Linux用prev_task和next_task两个指针来构建进程队列
• 可设置一个就绪队列和多个阻塞队列，每种等待事件设置一个等待队列
• 好处：方便快速取得队列中第一个进程PCB