认识Linux的进程管理.ppt

1,1.5 Linux操作系统概述,1.5.1 Linux的起源的历史,Linux是Internet的产物,Linus利用MINIX开发了两个进程用以写/读数据，并以此为契机添加硬盘驱动程序、小型文件系统以至形成了Linux的雏型 Linus将这个雏型放在校园网上征求大家的意见。Linux从一开始就是一个以编程爱好为主的系统。,最初是由芬兰的赫尔辛基大学的计算机系二年级学生Linus Torvalds编写的,他还在读大二时，因不满学校服务器一次只能接待16人上网，于是自己开始在MINIX的平台上开发程序,MINIX是杰出的计算机科学教育学家安德鲁S坦尼鲍姆（Andrews Tanenbaum）自行设计的微型UNIX，是专门用于教学、科研的操作系统,其出发点在于： 1. 核心程序的开发； 2.对用户系统支持。,这就为那些对操作系统怀有强烈认识、了解欲望的人们提供了一个学习的机会。,2,在Linus的主持开发下，一个由广大爱好操作系统的网民们共同扶持的新型操作系统问世了，这就是闻名于世的Linux操作系统。,1.5.2 Linux的特点,几乎所有在其它UNIX操作系统的实现上所能找到的功能。,还包括一些UNIX系统的 其他实现版本上没有的功能。,3,Linux可以支持各种类型的文件系统。,多任务、多用户的32位操作系统。,Linux支持UNIX的全部功能，而价格比UNIX系统更为便宜。,Linux提供了TCP/IP 网络协议的完备实现，同时也支持完备的TCP/IP客户与服务器功能。,支持广泛的硬件。,丰富的软件支持。,强大的网络通信功能。,独特的内核机制。,比较linux系统与windows系统的特点,26,4,Linux系统的体系结构如图1-4所示,5,1.5.3 Linux的基本结构,1. Linux系统的体系结构,(1) 用户应用程序,(2) 操作系统服务,(3) 系统调用接口,(4) Linux内核,(5) 硬件平台,2、当一个用户程序在Linux系统之上运行时，它成为一个用户进程。,1、用户应用程序是运行在Linux系统最高层的一个庞大的软件集合。,3、该层对应不同的应用程序，如字处理程序、网络浏览器等。,6,1、通常被看作操作系统的一个部分，如视窗系统、Shell等。,2、还包括同内核的程序接口，如编译工具和库等。,(1) 用户应用程序,(2) 操作系统服务,(3) 系统调用接口,(4) Linux内核,(5) 硬件平台,1.5.3 Linux的基本结构,1. Linux系统的体系结构,7,(1) 用户应用程序,(2) 操作系统服务,(3) 系统调用接口,(4) Linux内核,(5) 硬件平台,1.5.3 Linux的基本结构,1. Linux系统的体系结构,在应用程序中，可通过系统调用来调用操作系统内核中特定的过程，以实现特定的服务。,例如，在程序中安排一条创建进程的系统调用，则操作系统内核便会为之创建一个新进程。,8,(1) 用户应用程序,(2) 操作系统服务,(3) 系统调用接口,(4) Linux内核,(5) 硬件平台,1.5.3 Linux的基本结构,1. Linux系统的体系结构,内核实际是抽象的资源操作到具体硬件操作细节之间的接口。,这是本课程要介绍的重点。 内核是操作系统的灵魂，它负责管理磁盘上的文件、内存，负责启动并运行程序，负责从网络上接收和发送数据包等。,9,(1) 用户应用程序,(2) 操作系统服务,(3) 系统调用接口,(4) Linux内核,(5) 硬件平台,1.5.3 Linux的基本结构,1. Linux系统的体系结构,这一层包括了Linux安装时需要的所有可能的物理设备。,1、CPU 2、内存 3、硬盘 4、网络硬件,2.4 Linux的用户接口,Linux 与 windows的区别,shell既是命令行解释程序，也是强大的编程语言，为用户提供编程工具,X-Window是建立在客户-服务器模型基础上的，基于网络协议的一个窗口管理系统,11,2.4.1 Linux的外壳shell,shell的中文含义是“壳” 在Linux的任意版本中都沿用了UNIX的Shell“外壳” 而不同版本的Linux或UNIX都有不同的shell 也即shell有多种：sh,bash,tesh,csh s Sh-Bourne shell -在众多的shell中，最早出现, 也是最早UNIX shell Linux事实上是采用了Bourne shell的一个变种，也叫Bash shell作为默认的shell。以“%”做提示符 C shell -是美国加利福尼亚大学的Bill Joy开发的，他考虑到用户界面的友好性。以“$”做提示符,12,C shell的编程接口不如Bourne shell，但却支持Bourne shell 不支持的许多命令 Linux提供的Tesh是C shell的一个扩展版本。 shell从功能上- 是一个命令语言解释器，拥有自己内建的shell命令集。 shell -还能被Linux系统中其它有效的实用程序和应用程序所调用。 shell - 在成功的登录进入系统并启动后，将始终作为与系统内核的交互手段 一直到退出系统，系统上的每位用户都拥有一个缺省的shell，路径为/etc/passwd的文件被指定,13,shell执行命令解释程序的过程是这样的：,14,除了shell界面以外，Linux还配有图形窗口界面，这就是Xwindow系统。 X window系统本身就是一个客户机服务系统，服务器显示运行在客户机的程序中。 服务程序与客户程序之间借助X通信协议进行通信。 X window系统最基本的部分（也称为 SEVER）只提供最基本的窗口功能 如建立窗口、在窗口中写入文字或画图形、控制键盘和鼠标的输入和取消窗口等 即它不提供用户界面，而只提供建立界面的基本结构 其余的大部分关于窗口的操作由窗口管理器来处理 窗口管理器是和核心相分离的一个特殊的客户程序 可以改变包括缩放、移动、关闭窗口的方法以及启动程序的方法,2.4.2 X windowLinux的图形窗口界面,15,X Window和MS Windows不同之处 鼠标操作不同 界面和窗口形状不同 而最大 区别在于： X Window 具有灵活的界面 各个界面之间是完全不同的 这主要归功于它的窗口管理器 这可是MS Windows中所没有的。 X Window可以通过窗口管理器：生成多个界面 MS Windows中只有一套界面操作方式 X Window的各个界面之间是完全不同的 MS Windows通过定制工具改变界面，界面差异很细微,16,X Window 和 MS Windows相似的地方： 两者都使用图形界面； 都主要通过鼠标操作来配合键盘完成任务； 都可以处理多个窗口； 都可以建立窗体、菜单和对话框等。,17,Linux是一个多任务的开放系统，进程就是许多分离的任务(Task)。每一个进程都有一定功能和权限，运行自己的虚拟地址空间的程序。它们彼此独立，并通过进程间的通信机制实现进程之间的同步与互斥。Linux通过进程调度程序在多个进程之间实现合理的调度。在Linux系统中，进程与任务是相同的概念。 Linux中，进程被定义为进程映象(Process Image)的执行。这里的进程映象即为进程的实体部分，它由正文段(Text)、用户数据段(User Segment)以及系统数据段(System Segment)组成，从而形成了进程的一个执行环境。,3.9 Linux的进程管理,1. Linux的进程和进程组成,3.9.1 Linux的进程,18,在Intel386体系结构中，Linux利用其保护模式、特权级等特征，把每个进程分为内核态(特权级0)和用户态(特权级3)两种级别。中断和系统调用是内核态向用户态提供服务的重要途径。,图3.33 Linux进程的组成,程序是由一组指令和数据组成的静态的概念，而进程则是由正文段、用户数据段和系统数据段组织在一起的动态实体。Linux的进程组成如图3.33所示。,19,2. Linux的进程调度,Linux内核的进程调度程序按照一定的策略来选择最应该在CPU上运行的进程，并通过不断地保存和恢复进程的运行环境，使得进程能得以占有CPU，运行完毕。通常，由于系统中只有一个CPU，当然也可以有多个CPU(Linux支持SMP对称多处理机)，而系统中进程的数量远远多于CPU的数量，为了提高CPU的利用率，Linux采用了一系列的调度策略来保证公平和高效。,Linux的进程调度分为实时进程调度和普通进程调度两种。 Linux的进程调度操作由schedule()函数完成。这是一个只在内核态运行的函数，函数代码为所有进程共享。任何进程，当它从系统调用返回时，都会转入schedule()，重新进行调度，或者，当中断产生时，大多数的中断服务程序在完成各自的中断处理后，也会转入schedule()。,20,3. Linux进程的生命周期,Linux中，当用户打入shell命令，要求执行一个命令文件，要求执行一个命令文件或运行各种应用程序时，操作系统就为每个程序建立一个运行环境，从而形成进程的动态实体，此即创建了进程。当进程调度程序选中了该进程后，为其恢复现场，进程就在CPU上开始了运行。,随着程序中指令的执行，进程实体也在动态地变化，例如寄存器的值、用以保存各种临时数据(传递给函数的参数、函数调用的返回地址、函数中的变量等)的堆栈、打开文件的数量等等。进程在运行中也可以放弃原有的正文段，而连入新的正文段，也可以扩大或缩小自己用户数据段的长度。进程执行环境的动态变化充分表明进程是动态的执行活动。,21,*3-9-2 Linux的进程控制块,进程运行完自己的正文段后，就进入消亡状态。此时，进程将释放所占用的系统资源，唤醒其父进程为其善后处理，从而结束了进程的生命周期。,进程在运行中，还需申请其他的系统资源。为了运行它的指令，要得到CPU、要申请物理内存来存放进程的实体、通过文件系统来打开、读写和关闭文件、还要申请使用各种系统的外部设备。进程的资源请求均由Linux的各种资源管理子系统来实现。这些资源管理子系统通过各种资源的管理策略，满足进程对资源的共享，提高资源的使用效率。,进程控制块(PCB)是进程抽象化的数据表示。操作系统根据PCB而感知一个进程的存在并对进程进行控制和管理。Linux中，每一个进程都由一个task_struct数据结构来描述，此即为进程的PCB，其中记录了进程的所有的控制和管理信息。,22,1. 进程的标识信息(Process Identifiers) 2. 进程的调度状态信息(state) 3. 进程的调度信息(scheduling) 4. 进程的家族信息及链接信息 5. 时间和定时器信息(Times and Timers) 6. 进程通信信息(IPC，Inter-Process Communication) 7. 文件系统信息(File System) 8. 虚拟内存信息(Virtual Memory) 9. 页面管理信息(Page Management) 10. 对称多处理器(SMP)信息 11. 其他信息,进程控制块的信息包括：,task_struct结构是Linux系统对进程进行控制的唯一最有效的手段。,23,在进程的生命周期内，进程所处的状态经常在变化着。通过这些状态的变化刻划了进程从创建，活动到消亡的过程。,3.9.3 Linux的进程状态,Linux的进程状态转换如图3.34所示。,1. Linux的进程状态,在每个进程的task_struct结构中，Linux定义了state域来描述进程的调度状态。Linux的进程共有五种调度状态。,2. Linux进程状态的转换,3.9.4 Linux的进程调度,Linux是一种典型的分时操作系统，主要采用了基于优先权的时间片轮转法为进程分配CPU。按照这种调度方法，系统给每个运行进程分配一个时间片，而优先权的大小又决定了哪个进程被调度运行。因此，时间片和优先权这两个参数对Linux的进程调度起着非常重要的作用。,24,进程的优先权是进程调度的重要依据，Linux通过进程的权重weight，由函数goodness()来完成这一工作。该函数中，首先根据进程task_struct结构中的policy来区分是实时进程还是普通进程。对这两类进程，分别采用不同的标准来确定其权重。,2. 进程优先权的确定,1.进程调度的有关参数,但是，Linux的进程调度并不局限于某一种调度策略，它融合了基于优先权的轮法调度、基于优先权的先进先出调度以及多级反馈轮转调度的策略，因而具有很高的综合性。,对于普通进程，采用动态的优先权的方法来确定其权重。 对于实时进程，counter只是用来表示该进程的剩余时间片，并不代表权重，其权重决定于rt_priority。,25,为了进行调度，Linux将所有的可运行态的进程都排入一个可运行队列中。该队列通过task_struct结构中的两个指针next_task和prev_task来链接。如图3.35所示。,3. Linux进程的可运行队列,4. Linux的进程调度,Linux在一个可运行队列中，对先进先出的实时进程、轮转调度方式的实时进程及普通进程分别实现了不同的调度。进程调度程序在可运行队列中逐个比较各个可运行进程的权重，从中选出一个权重最大的进程来分配CPU。如果进程的权重相同，在可运行队列中位置越靠前者越优先。,26,1. 当进程状态转换时。 2. 当前进程的时间片用完时(cuprentcounter=0)，要重新选择一个进程。 3. 当设备驱动程序执行长而重复的任务时，直接调用schedule()。 4. 进程从中断、异常及系统调用处理后返回到用户态时。,5. Linux进程调度的时机,Linux系统中，引起进程调度的时机有：,3.9.5 Linux的进程控制,Linux是一个多进程的操作系统，其中绝大多数进程都有一定的生命周期。进程由于创建而“诞生”，由于终止而“消亡”，它是一个动态的过程。,27,系统启动时，运行在内核模式，此时，只有一个进程在系统中运行，即初始化进程。系统初始化结束时，初始化进程启动一个内核线程(即init)，然后自己则保持在空循环(idle)状态。当系统中没有可运行的进程时，进程调度程序将运行这一idle进程。Idle进程是唯一非动态分配task_struct结构的进程，它的task_struct结构在内核编译时分配，称为init_task。 图3.36，给出了进程从创建到终止的全过程。,1. 进程的建立过程,28,Shell进程建立的环境,键入Shell命令,fork() （创建子进程）,Execve() （执行新的文件）,wait() （等待子进程终止）,exit() （自我终止）,（父进程继续运行）,非0，返回子进程标识,返回0,子进程,父进程,图3.36 进程从创建到终止的全过程,29,Li