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第二章 進(jìn)程與線程 (上)

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大學(xué)MOOC：大學(xué)慕課—操作系統(tǒng)—主講：哈工大李治軍

一、CPU管理的直觀想法

操作系統(tǒng)在管理CPU時(shí)引入了一個(gè)多進(jìn)程圖像，通過(guò)多進(jìn)程圖像操作系統(tǒng)管理CPU

多進(jìn)程圖像是操作系統(tǒng)的核心圖像。

1.CPU的工作原理

1. 取指：CPU 從內(nèi)存中讀取指令，并解析指令中的操作碼和操作數(shù)等信息。
2. 執(zhí)行：根據(jù)指令中的操作碼和操作數(shù)，CPU 進(jìn)行相應(yīng)的邏輯或算術(shù)運(yùn)算，并將結(jié)果保存到寄存器或內(nèi)存中。
3. 寫回：如果結(jié)果需要保存到內(nèi)存中，則將結(jié)果寫入內(nèi)存，或者將結(jié)果保存到寄存器中供后續(xù)指令使用。
4. 重復(fù)：不斷重復(fù)上述步驟，直到程序執(zhí)行結(jié)束。

1. 取指：CPU 從內(nèi)存中讀取指令，并解析指令中包含的操作碼和操作數(shù)等信息。

2. 執(zhí)行：根據(jù)指令中的操作碼和操作數(shù)，CPU 進(jìn)行相應(yīng)的邏輯或算術(shù)運(yùn)算，并將結(jié)果保存到寄存器或內(nèi)存中。

3. 寫回：如果結(jié)果需要保存到內(nèi)存中，則將結(jié)果寫入內(nèi)存；否則，將結(jié)果保存到寄存器中供后續(xù)指令使用。

4. 重復(fù)：不斷重復(fù)上述步驟，直到程序執(zhí)行結(jié)束。

   

設(shè)置PC初始值，操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)取指執(zhí)行

有IO指令和沒(méi)有IO指令執(zhí)行時(shí)間之比：

可以看出IO執(zhí)行特別慢，CPU利用率非常低

如何解決這個(gè)問(wèn)題？

在等待IO過(guò)程中，CPU切出去執(zhí)行其他程序，讓CPU充分忙碌起來(lái)，提高了利用率

2.多道程序，交替執(zhí)行

舉例單道程序和多道程序CPU利用率對(duì)比：

這種多道程序同時(shí)出發(fā)，交替執(zhí)行就是并發(fā)。

CPU應(yīng)該工作的樣子：

3.如何做到并發(fā)？

對(duì)于切換程序執(zhí)行，因?yàn)閍x，bx改變了，只修改寄存器PC不能找到原來(lái)程序執(zhí)行到哪里。

在切出程序后，原來(lái)的程序執(zhí)行到哪里，執(zhí)行的樣子 需要記錄下來(lái)，切回時(shí)才能繼續(xù)執(zhí)行

由此看出 運(yùn)行的程序和靜態(tài)程序不一樣：運(yùn)行的程序需要記錄運(yùn)行后的時(shí)刻

4.進(jìn)程

進(jìn)程：刻畫運(yùn)行中的程序 一個(gè)運(yùn)行中的程序就是一個(gè)進(jìn)程

進(jìn)程有開(kāi)始、有結(jié)束，程序沒(méi)有

進(jìn)程會(huì)走走停停，走停對(duì)程序無(wú)意義

進(jìn)程需要記錄ax,bx,…，程序不用

記錄這些信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是：PCB

多個(gè)程序同時(shí)運(yùn)行就是多進(jìn)程，CPU進(jìn)行管理。

PCB中記錄了操作系統(tǒng)所需的，用于描述進(jìn)程的當(dāng)前情況以及控制進(jìn)程運(yùn)行的全部信息。

操作系統(tǒng)根據(jù)PCB來(lái)對(duì)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程進(jìn)行控制和管理。

二、多進(jìn)程圖像

1.多進(jìn)程圖像是操作系統(tǒng)的核心圖像

從上層用戶的角度看：共有三個(gè)進(jìn)程PID：1 PID：2 PID：3

操作系統(tǒng)根據(jù)PCB合理推進(jìn)執(zhí)行多個(gè)進(jìn)程

啟動(dòng)了的程序就是進(jìn)程，所以是多個(gè)進(jìn)程推進(jìn)操作系統(tǒng)只需要把這些進(jìn)程記錄好、要按照合理的次序推進(jìn)(分配資源、進(jìn)行調(diào)度）這就是多進(jìn)程圖像。

我們每要解決一個(gè)任務(wù)，計(jì)算機(jī)都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程來(lái)執(zhí)行這個(gè)任務(wù)。 多進(jìn)程圖像是操作系統(tǒng)的核心圖像

windows任務(wù)管理器中可以查看多個(gè)進(jìn)程同時(shí)執(zhí)行，操作系統(tǒng)通過(guò)管理進(jìn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)的管理

2.多進(jìn)程如何組織？

通過(guò)PCB形成一系列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，操作系統(tǒng)推進(jìn)進(jìn)程的執(zhí)行

3.進(jìn)程狀態(tài)圖：

多進(jìn)程的組織:PCB+狀態(tài)+隊(duì)列

運(yùn)行->等待; 運(yùn)行->就緒; 就緒->運(yùn)行…

進(jìn)程狀態(tài)圖能給出進(jìn)程生存期的清晰描述，是認(rèn)識(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)程管理的一個(gè)窗口。

掛起：掛起是指操作系統(tǒng)將某個(gè)正在運(yùn)行的進(jìn)程暫時(shí)停止執(zhí)行，并將其狀態(tài)保存到外部存儲(chǔ)器或內(nèi)存中，直到以后再次恢復(fù)該進(jìn)程執(zhí)行。是一種重要的管理和優(yōu)化技術(shù)，它可以減少系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和可用性。

在進(jìn)程掛起期間，進(jìn)程的狀態(tài)信息被保存到外部存儲(chǔ)器或內(nèi)存中，當(dāng)操作系統(tǒng)需要重新啟動(dòng)該進(jìn)程時(shí)，可以從保存的狀態(tài)信息中還原該進(jìn)程的上下文，繼續(xù)執(zhí)行。

主動(dòng)掛起：是指進(jìn)程自己向操作系統(tǒng)申請(qǐng)掛起自己的狀態(tài)，通常是因?yàn)楫?dāng)前執(zhí)行的任務(wù)已經(jīng)完成，但該進(jìn)程還需要保留下來(lái)，以便稍后根據(jù)需要進(jìn)行繼續(xù)執(zhí)行。例如暫停操作、文件下載中暫停/繼續(xù)操作等

被動(dòng)掛起：是指操作系統(tǒng)強(qiáng)制掛起某個(gè)正在執(zhí)行的進(jìn)程，因?yàn)橄到y(tǒng)資源已經(jīng)不足，或者該進(jìn)程所請(qǐng)求的資源無(wú)法獲得，此時(shí)操作系統(tǒng)會(huì)暫時(shí)停止該進(jìn)程執(zhí)行，以便其他進(jìn)程可以更好地利用系統(tǒng)資源。

4.多進(jìn)程如何交替？

5.多進(jìn)程如何影響？

多個(gè)進(jìn)程同時(shí)在存在于內(nèi)存會(huì)出現(xiàn)下面的問(wèn)題

進(jìn)程1中地址100訪問(wèn)到了同時(shí)運(yùn)行的進(jìn)程2中的地址100：

解決的辦法：

限制對(duì)地址100的讀寫

多進(jìn)程的地址空間分離: 內(nèi)存管理的主要內(nèi)容

為什么說(shuō)進(jìn)程管理連帶內(nèi)存管理形成多進(jìn)程圖像?

6.多進(jìn)程如何合作？

隊(duì)列中的進(jìn)程放入和取出 多個(gè)進(jìn)程交替執(zhí)行

生產(chǎn)者—消費(fèi)者實(shí)例

共享緩沖區(qū)：

兩個(gè)合作的進(jìn)程都要修改counter：

counter語(yǔ)義錯(cuò)誤：初始counter=5，進(jìn)行加一減一應(yīng)該還是五，但經(jīng)過(guò)執(zhí)行序列得到的counter為4，進(jìn)程必須合理推進(jìn)

核心在于進(jìn)程同步：

讀寫PCB，OS中最重要的結(jié)構(gòu)，貫穿始終

三、用戶級(jí)線程

1.資源切換（引出線程概念）

如何將資源不動(dòng)而切換指令序列？

線程切換分為指令切換 和 資源切換 分治

進(jìn)程 = 資源 + 指令執(zhí)行序列

將資源和指令執(zhí)行分開(kāi)一個(gè)資源 + 多個(gè)指令執(zhí)行序列

既有多個(gè)指令在同時(shí)觸發(fā)交替執(zhí)行，切換也不用那么復(fù)雜：

線程: 保留了并發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，避免了進(jìn)程切換代價(jià)

實(shí)質(zhì)就是內(nèi)存映射表不變而PC指針改變

多個(gè)執(zhí)行序列+一個(gè)地址空間是否實(shí)用?

一個(gè)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器： 同時(shí)觸發(fā)，交替執(zhí)行：

一個(gè)線程用來(lái)從服務(wù)器接收數(shù)據(jù)

一個(gè)線程用來(lái)顯示文本

一個(gè)線程用來(lái)處理圖片(如解壓縮)

一個(gè)線程用來(lái)顯示圖片

下載一段網(wǎng)頁(yè)——顯示文本——再回來(lái)下載圖片…

這些線程要共享資源嗎?

接收數(shù)據(jù)放在100處，顯示時(shí)要讀… 寫入讀出緩沖區(qū)

所有的文本、圖片都顯示在一個(gè)屏幕上

多線程表達(dá)的切換指令序列對(duì)進(jìn)程切換很有價(jià)值。

2.線程切換

啟動(dòng)多個(gè)線程，每個(gè)線程執(zhí)行函數(shù)

核心是Yield…

能切換了就知道切換時(shí)需要是個(gè)什么樣子

Create就是要制造出第一次切換時(shí)應(yīng)該的樣子

如果繼續(xù)往下執(zhí)行跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)線程，因?yàn)閮蓚€(gè)線程共用了一個(gè)棧

每個(gè)指令序列中，函數(shù)調(diào)用應(yīng)該用自己的棧?。?！

從一個(gè)棧到兩個(gè)棧

TCB任務(wù)控制塊，包含了線程的信息，如寄存器狀態(tài)、堆棧指針、優(yōu)先級(jí)、資源占用等

TCB 在任務(wù)/線程切換時(shí)用于保存當(dāng)前任務(wù)/線程的狀態(tài)信息，以便后續(xù)再次恢復(fù)執(zhí)行

（jmp 204；應(yīng)該去掉）

ThreadCreate的核心就是用程序做出三樣?xùn)|西：

多個(gè)程序出現(xiàn)在內(nèi)存中執(zhí)行，在程序執(zhí)行的過(guò)程中調(diào)用Yield()，首先切換棧然后再?gòu)棗?，?shí)現(xiàn)切換到另外一個(gè)線程執(zhí)行，在Yield()…

3.用戶級(jí)線程與核心級(jí)線程

如果進(jìn)程的某個(gè)線程進(jìn)入內(nèi)核并阻塞

一旦一個(gè)線程阻塞，其他線程也將被阻塞，會(huì)切換到另一個(gè)進(jìn)程執(zhí)行

雖然通過(guò)用戶級(jí)線程啟動(dòng)多個(gè)序列，但是CPU發(fā)生阻塞等待

核心級(jí)線程ThreadCreate是系統(tǒng)調(diào)用，會(huì)進(jìn)入內(nèi)核

TCB在內(nèi)核中，內(nèi)核中一個(gè)線程阻塞，將會(huì)切換到另一個(gè)線程執(zhí)行

因此內(nèi)核級(jí)線程的并發(fā)性更好

核心級(jí)線程完全由操作系統(tǒng)在內(nèi)核中決定，比用戶級(jí)線程復(fù)雜

四、內(nèi)核級(jí)線程

和用戶級(jí)相比，核心級(jí)線程有什么不同?

ThreadCreate是系統(tǒng)調(diào)用，內(nèi)核管理TCB，內(nèi)核負(fù)責(zé)切換線程

如何讓切換成型? ——內(nèi)核棧，TCB

用戶棧是否還要用?執(zhí)行的代碼仍然在用戶態(tài)，還要進(jìn)行函數(shù)調(diào)用

一個(gè)棧到一套棧:兩個(gè)棧到兩套棧

1.用戶棧和內(nèi)核棧之間的關(guān)聯(lián)

用戶棧和內(nèi)核棧是操作系統(tǒng)中兩個(gè)重要的棧空間，它們分別用于存儲(chǔ)用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)的執(zhí)行環(huán)境

當(dāng)一個(gè)進(jìn)程從用戶態(tài)切換到內(nèi)核態(tài)時(shí)，需要使用到內(nèi)核棧。進(jìn)程從內(nèi)核態(tài)返回用戶態(tài)時(shí)，需要使用到用戶棧

·所有中斷(時(shí)鐘、外設(shè)、INT指令)都引起上述切換

·中斷(硬件)又一次幫助了操作系統(tǒng)…

用戶棧和內(nèi)核棧是操作系統(tǒng)中兩個(gè)不同的棧區(qū)域，它們各自負(fù)責(zé)存儲(chǔ)不同執(zhí)行環(huán)境的棧幀信息

在處理器發(fā)生中斷時(shí)，或者進(jìn)程主動(dòng)發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，CPU會(huì)切換到內(nèi)核態(tài)，并將當(dāng)前進(jìn)程的用戶態(tài)上下文信息保存到它的用戶棧中，然后切換到內(nèi)核棧中繼續(xù)執(zhí)行相應(yīng)的內(nèi)核代碼；當(dāng)內(nèi)核完成相應(yīng)的處理邏輯后，再將內(nèi)核棧中保存的內(nèi)容彈出，恢復(fù)用戶棧中保存的用戶態(tài)上下文信息，最后切換回用戶態(tài)繼續(xù)執(zhí)行用戶進(jìn)程。

2.開(kāi)始內(nèi)核中的切換：switch_to

switch to：仍然是通過(guò)TCB找到內(nèi)核棧指針;然后通過(guò)ret切到某個(gè)內(nèi)核程序;最后再用CS:PC切到用戶程序

switch to也稱為上下文切換，當(dāng)多個(gè)任務(wù)或線程同時(shí)運(yùn)行時(shí)，操作系統(tǒng)需要在它們之間進(jìn)行快速的切換，實(shí)現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行

“五段論”保證了線程之間的正確切換和執(zhí)行：

用戶級(jí)線程、核心級(jí)線程的對(duì)比：

用戶級(jí)線程是由應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者創(chuàng)建和管理的線程，運(yùn)行在用戶空間，并通過(guò)用戶程序調(diào)用系統(tǒng)調(diào)度庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)線程的調(diào)度和同步

每個(gè)用戶級(jí)線程都對(duì)應(yīng)著一個(gè)內(nèi)核級(jí)線程，內(nèi)核級(jí)線程以操作系統(tǒng)內(nèi)核的身份運(yùn)行并提供線程與系統(tǒng)資源之間的映射

用戶級(jí)線程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，調(diào)度和同步開(kāi)銷小，缺點(diǎn)是不能利用多處理器環(huán)境提高性能

核心級(jí)線程是由操作系統(tǒng)內(nèi)核創(chuàng)建和管理的線程，直接由內(nèi)核調(diào)度器進(jìn)行調(diào)度

與用戶級(jí)線程相比，內(nèi)核級(jí)線程有更好的并發(fā)性和CPU利用率，但比較復(fù)雜。

五、內(nèi)核級(jí)線程實(shí)現(xiàn)

內(nèi)核級(jí)線程需要采用復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)維護(hù)線程上下文切換和狀態(tài)信息，并且需要在內(nèi)核態(tài)進(jìn)行線程切換

核心是讓操作系統(tǒng)內(nèi)核直接管理線程調(diào)度，對(duì)于上層應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，無(wú)需關(guān)心線程的創(chuàng)建、調(diào)度和同步等

先從用戶棧到內(nèi)核棧，再?gòu)膬?nèi)核棧到用戶棧；核心級(jí)線程的兩套棧，核心是內(nèi)核棧。

1.int 0x80 fork( )

fork() 系統(tǒng)調(diào)用可以讓程序生成一個(gè)新的獨(dú)立進(jìn)程，并在原進(jìn)程和新進(jìn)程中進(jìn)行不同的操作

2.切換五段論中的中斷入口和出口

中斷入口： _system_call將用戶態(tài)信息壓棧

任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)如果不在就緒狀態(tài)就執(zhí)行調(diào)度，如果在就緒狀態(tài)但counter等于0，也執(zhí)行調(diào)度程序

中斷出口：

sys_fork 函數(shù)調(diào)用了 fork() 系統(tǒng)調(diào)用，它會(huì)通過(guò) eax 寄存器返回新創(chuàng)建進(jìn)程的進(jìn)程 ID，在此之前會(huì)先將該寄存器的值入棧保存

接著通過(guò) cmp 判斷是否需要進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度，并將返回地址入棧后通過(guò) jmp 指令跳轉(zhuǎn)到 schedule 函數(shù)執(zhí)行進(jìn)程切換操作

在進(jìn)程切換結(jié)束后，通過(guò) pop 指令將原 eax 寄存器的值恢復(fù)回來(lái)fork() 調(diào)用的返回值

3.switch to

任務(wù)狀態(tài)段Tss（Task State Segment）表示任務(wù)狀態(tài)段的表項(xiàng)，用于獲取相應(yīng)進(jìn)程的任務(wù)結(jié)構(gòu)體的起始地址

跳轉(zhuǎn)到所切換到的進(jìn)程的任務(wù)結(jié)構(gòu)體中保存的代碼起始地址，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)程上下文切換的操作：

Linux 0.11用tss切換，但也可以用棧切換，因?yàn)閠ss中的信息可以寫到內(nèi)核棧中

4.ThreadCreate

fork()使用 push 指令將寄存器 %gs 和 %eax 的值分別壓入棧中

然后并調(diào)用_copy_process 函數(shù)創(chuàng)建新進(jìn)程

·在 _copy_process函數(shù)中，使用給定的參數(shù)構(gòu)造一個(gè)新進(jìn)程的狀態(tài)

這些參數(shù)全部傳入 _copy_process函數(shù)設(shè)置上下文信息

然后函數(shù)返回到 sys_fork 函數(shù)并使用 add 指令來(lái)從棧中刪除參數(shù)，最終 ret 返回

copy_process的細(xì)節(jié)：創(chuàng)建棧

調(diào)用 get_free_page 函數(shù)來(lái)動(dòng)態(tài)申請(qǐng)一頁(yè)大小的內(nèi)存空間，并轉(zhuǎn)換為一個(gè)指向PCB的指針 p

創(chuàng)建TCB——?jiǎng)?chuàng)建內(nèi)核棧和用戶?！P(guān)聯(lián)棧和TCB 子進(jìn)程和父進(jìn)程共享用戶棧

copy_process的細(xì)節(jié):執(zhí)行前準(zhǔn)備

5.如何執(zhí)行我們想要的代碼？

fork() 調(diào)用成功時(shí)，返回值為子進(jìn)程的 PID 在父進(jìn)程中。在子進(jìn)程中，fork() 返回 0。

exec() 是一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，會(huì)執(zhí)行 system_call

ex.a_entry是可執(zhí)行程序入口地址，產(chǎn)生可執(zhí)行文件時(shí)寫入

內(nèi)核級(jí)線程總結(jié)

六、操作系統(tǒng)的“樹(shù)”（知識(shí)串講總結(jié)）

前面知識(shí)的串聯(lián)

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