linux进程与线程.ppt

1、教学内容,进程的概念 进程的特性 进程的状态及其转换 进程的控制 Linux中的进程控制 线程,教学要求,掌握程序、进程、线程的区别 掌握进程的基本状态及状态转换 了解进程控制块（PCB）的内容 重点掌握linux系统中进程相关的命令、系统调用、库函数,单道与多道程序设计,多道程序设计的提出 单道程序设计 执行特点：静态的、孤立的 具体特性：顺序性、封闭性、可再现性、资源独占性 并发执行及“与时间有关的错误” 并发执行，是指多个程序段之间在执行时间上重叠。 多程序段同时在系统中运行 宏观上并行，微观上串行 资源共享 问题： 资源冲突，甚至死锁 “与时间有关的错误”,为了充分有效地利用计算机 的

2、有限资源，提出了多道程序设计,单道与多道程序设计,多道程序设计,单道程序设计,进程的定义,进程的定义：进程是可并发执行的程序在一个数据集合的运行过程。它是操作系统动态执行的基本单元，是系统进行资源分配的独立单位。,启动浏览器IE后,得到的进程,进程与程序及其分类,进程与程序的关联 进程是程序的一次执行过程，即一个执行实例 程序与进程存在：1:1、1:n的关系 进程与程序存在：1:1、1:n的关系 进程与程序的区别 程序：静态、指令集合、无生命周期、可保存、不是进程调度和分配资源的单位 进程：动态、执行过程、有生命周期、不可保存、是进程调度和分配资源的单位 进程是由程序、数据和进程控制块三部分组

3、成；进程具有创建其他进程的功能，而程序没有。 进程和程序的分类 系统进程（系统程序的执行过程） 用户进程（用户程序的执行过程）,生活中的程序与进程举例,简单理解：所有正运行的程序都叫做进程，程序只有在被系统载入了内存并运行后才能够叫做进程。,进程的产生与终止,进程的产生 交互式环境中，合法用户终端登陆。 批处理环境中，为响应一个任务的要求而产生进程。 当运行中获取用户程序提出的某种请求后，OS可以代用户程序产生进程以实现某种功能。 基于应用进程的需要，由已存在的进程产生另一个进程，以便使新程序以并发运行方式完成特定任务。当一个进程生成另一个进程时，生成进程称为父进程，而被生成进程称为子进程。

4、进程的终止 正常结束、超时限制、内存不足、I/O失败、非法指令等,进程的特性,进程的特性： 动态性：进程的实质是程序的一次执行过程，进程是动态产生，动态消亡的； 并发性：任何进程都可以同其他进程一起并发执行； 独立性：进程是一个能独立运行的基本单位，同时也是系统分配资源和调度的独立单位； 异步性：由于进程间的相互制约，使进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。,进程的基本状态,运行态（Running） 进程占有CPU，并在CPU上运行。在单CPU系统中，最多只有一个进程处于运行态。 就绪态（Ready） 一个进程已经具备运行条件，但由于无CPU暂时不能运行的状态（当调

5、度给其CPU时，立即可以运行）。处于就绪状态的进程可以有多个。队列的排列次序一般按优先级大小来排列。 阻塞态（Blocked） 指进程因等待某种事件的发生而暂时不能运行的状态，即使CPU空闲，该进程也不可运行。处于阻塞状态的进程可以有多个。,进程状态之间的转换,进程被调度获得CPU,时间片用完或被抢占,因等待某种事件或者资源而无法运行，即使CPU空闲，该进程也不可运行,已获得事件或等待的资源,Unix进程状 态及其变迁,进程的组成,操作系统控制结构 内存表用来跟踪主存和辅存。 I/0表用来管理I/0设备和通道。 文件表提供当前存在文件中的信息。 进程表用来管理进程。 进程的组成 程序段：进程所

6、对应的可执行程序； 数据段：程序运行过程中要用到的数据或工作区； 进程控制块（PCB）：为管理进程设置的一个专门的数据结构，用于记录进程的外部特征，描述进程的运动变化过程。 进程映像： 程序和数据是进程的静态部分，可见 PCB是进程的动态部分，不可见,进程控制块PCB,进程控制块（PCB） PCB-Process Control Block 记录了OS控制和管理进程的所需的所有信息，是进程属性的动态描述(PCB在Linux中对应task_struct，也称为PD；PCB在Unix中对应于proc和user结构) 进程控制块与进程关系： 每个进程有唯一的PCB。 操作系统（OS）根据PCB管理进

7、程。 利用PCB实现进程的动态、并发。 PCB是进程存在的唯一标志。,进程控制块PCB,PCB的内容 标识信息：进程标识、用户名 说明信息：进程状态、等待原因、进程程序和数据的存储信息 现场信息：记录重要寄存器、时钟等内容，用于恢复断点 管理调度信息：进程优先级、进程队列指针、消息队列指针、进程使用的资源清单、进程家族关系、进程当前打开的文件,Linux系统中的PCB,Linux系统中的PCB 在Linux中，任务和进程是同一概念 Linux中的PCB即任务数据结构：task_strcut，也称为进程描述符PD （Processor Descriptor） 定义在include/linux/s

8、ched.h中,Linux系统中的PCB,Linux PCB（task_struct) 包含进程所有信息 task_struct数据结构很庞大，但并不复杂，按功能将所有域划分： 1、进程状态（State） 2、进程调度信息（Scheduling Information） 3、各种标识符（Identifiers） 4、进程通信有关信息（IPC：Inter_Process Communication） 5、时间和定时器信息（Times and Timers） 6、进程链接信息（Links） 7、文件系统信息（File System） 8、虚拟内存信息（Virtual Memory） 9、页面管理信

9、息（page） 10、对称多处理器（SMP）信息 11、和处理器相关的环境（上下文）信息（Processor Specific Context） 12、其它信息,Linux PCB中的进程状态（state）,可运行状态 进程正在运行（运行态）、或者正准备运行（就绪态） 正在运行的进程就是当前进程 准备运行的进程只要得到CPU就可以立即投入运行，CPU是这些进程唯一等待的系统资源 可中断等待态、不可中断等待态 进程正等待某个事件（event）或某个资源 一定处于系统中的某个等待队列（wait_queue）中 两种等待态的差异： 可中断等待态：可被信号唤醒，被唤醒后进入可运行态,等待被调度； 不可

10、中断等待态：因等待硬件资源，如某个通道、端口等，在任何情况下都不能被打断，直到资源满足。资源满足后只能用特定的方式来唤醒它，例如唤醒函数wake_up（）等,暂停状态 进程暂时停止运行以接受某种特殊处理 通常当进程接收到SIGSTOP、SIGTSTP、SIGTTIN或 SIGTTOU信号后就处于这种状态（关于信号，将在以后讲述） 例如，正接受调试的进程就处于这种状态 僵死状态 进程执行了exit()函数后进入该状态，即进程被终止 此状态将由父进程执行wait()系统调用而“唤醒”，真正终止该进程，并回收其资源 处于该状态的进程是死进程，属于系统中的垃圾，必须进行相应处理以释放其占用的资源 死亡

11、状态：僵死进程被父进程回收后的状态,Linux PCB中的进程状态（state）,Linux的进程状态转换模型,Linux中与进程相关的命令,PS,ps Processes Snapshot 句法：ps OPTIONS 功能：对系统中的进程进行监控 OPTION参数如下： l：长格式输出 u：按用户名和启动时间顺序来显示进程 j：用任务格式来显示进程 f：用全格式来显示进程 a：显示所有用户的所有进程 x：显示无控制终端的进程,-A：列出所有的行程 -w：显示加宽可以显示较多的资讯 -au：显示较详细的资讯 -aux：显示所有包含其他使用者的行程 -e：显示所有进程，环境变量 -f：全格式 -

12、h：不显示标题 -l：长格式,注意区分“ps aux”和“ps -aux”命令,PS,Linux中与进程相关的命令,kill,关闭进程：kill 进程号 kill -9 进程号（强行关闭） kill -1 进程号（重启进程） 结束所有进程：killall 查找服务进程号：pgrep 服务名称 关闭进程：pkill 进程名称,Linux中与进程相关的命令,TOP,句法：top OPTIONS 功能：实时显示系统中各个进程的资源占用状况 TOP命令是一个动态显示过程，可以通过用户按键来不断刷新当前状态。 TOP命令是Linux下常用的性能分析工具,Linux中与进程相关的命令,操作系统内核,CPU

13、的两种执行状态：系统态和用户态 系统态/核心态（特态或管态）：该状态下，CPU能执行指令集中任何指令； 用户态（常态或目态）：该状态下，CPU只能执行一般的指令，不能执行特权指令。 操作系统内核功能 中断处理 时钟管理 原语操作 进程管理 存储器管理 设备管理,进程的创建,进程创建的时机 用户登录 作业调度 提供服务 应用请求 进程创建的过程 取得一个空白PCB，生成一个唯一的进程标识号（一般是数字形式） 为新进程分配必要的资源 初始化PCB将新进程的PCB插入就绪队列,进程的创建,Linux中的进程创建 init_task： Linux在启动时运行在核心态，这时只有初始化程序在执行是系统的第

14、一个进程，因此称为初始进程。 init_task在系统初始化结束后，初始进程启动一个核心进程，称为init。然后执行空闲循环，什么也不做。当系统没有其他工作时，调度程序会运行这个空闲进程。 init： init进程的进程标识号为1，是系统中第一个真正的进程有自己的PCB。是系统中其他进程的祖先。 除init外，Linux所有进程都由其他进程创建；用户态中，可调用fork或clone来创建子进程。,进程的创建,Linux的进程创建fork()函数 fork()函数返回值 = -1：创建失败 = 0：创建成功，并从子进程返回 0：创建成功,并从父进程返回,返回的是子进程PID fork()函数为系

15、统调用 fork()函数完成的事务 检查现有进程数目 分配PCB（task_strcut）及PID 继承父进程的资源 创建进程映像(如静态的程序,动态的PCB)并设置就绪 返回：调用进程返回子进程的PID,被调度执行返回0,进程的创建,fork()函数返回后的处理 可依据父进程和子进程返回的值，做相应处理 一般程序架构如下： main() int pid; /子进程的标识符PID while ( (pid=fork() = -1) ;/直到子进程创建成功 if (pid = 0) /子进程返回，也称调度返回 / 插入子进程返回时处理的程序段 else / 父进程返回，也称调用返回 / 插入父进

16、程返回时处理的程序段 小课验证,进程的终止,进程终止的时机 进程的正常结束 进程执行期间调用exit系统调用 在main函数中执行return语句 main函数执行完 进程的异常结束 进程运行时出现错误或故障被迫结束。如数组越界、除数为0、电源故障等 进程终止的过程 取得当前进程的PCB 归还进程所占的资源 进入进程调度程序,进程的终止,Linux中的进程终止 调用exit()、执行return语句、main函数执行完，最终都要调用内核函数do_exit() do_exit()需要做的工作如下： 根据PCB中的内容进行资源的归还和涉及信息的善后处理 将进程的状态改为TASK_ZOMBIE 设置

17、exit_code 通知父进程和子进程“我即将结束” 调用内核函数schedule()重新调度,进程的阻塞和唤醒,阻塞和唤醒的时机 进程请求系统为它服务，系统不能马上为它服务,就进入阻塞状态； 启动了无法马上完成的操作（I/O），进入阻塞状态； 进程间相互合作时，需要等待其他进程的运算结果； 系统启动时创建的服务，如果没有其他进程的请求，处于阻塞。,进程的阻塞和唤醒,进程阻塞的过程 使当前进程停止执行 将状态改为阻塞态 插入适当的等待阻塞队列 调用schedule()重新进行进程调度 进程唤醒的过程 取出阻塞队列的第一个进程 将状态改为就绪态 插入到就绪队列,进程的阻塞和唤醒,Linux中的进

18、程阻塞和唤醒 使当前进程停止执行若进程等待一个特定的事件发生，则调用函数来阻塞当前进程： sleep_on()：进程状态被设置为TASK_INTERRUPTIBLE interruptible_sleep_on()：进程状态被设置为TASK_UNINTERRUPTIBLE 当进程等待的事件发生时，调用内核函数来唤醒进程： wake_up()： wake_up_process()： 对某个睡眠进程的唤醒。将状态设置为TASK_RUNNING,注意：sleep_on()和wake_up()都是内核中提供的函数，应用程序中不能直接调用。 Linux中的进程阻塞 系统调用wait():等待子进程终止而

19、进入睡眠 子进程执行exit()而终止自身，并给父进程发信号 父进程执行wait()等待子进程终止信号 库函数sleep(n):进程延时n秒,进程的阻塞和唤醒,未引入线程的操作系统中，进程的两个基本属性： 进程是一个拥有资源的独立单位 给每个进程分配一虚拟地址空间，保存进程映像，控制一些资源（文件，I/O设备），有状态、优先级、调度 进程是一个被处理机独立调度和分配的基本单位 以上两个属性构成进程并发执行的基础,线程的引入,系统必须完成的操作： 创建进程、撤消进程、进程切换 缺点： 每启动一个新的进程都必须分配独立的地址空间 进程的每次调度都需要保护和恢复CPU现场信息，开销过大 进程间通信速度较慢，有些时刻显得不太友好 为此，希望将进程的某些属性展开。使得： 作为独立调度的基本单位，不同时作为占有资源的基本单位 对占有资源的基本单位又不频繁切换,线程的引入,线程,线程的定义：有时称轻量级进程，是进程中的一个执行线路或线索，是一个相对独立的、可独立调度和指派的执行单元。 资源的拥有者还是进程，线程将原来进程的两个属性分开处理。,线程的性质： 是进程内的一个相对独立的可执行单元； 是操作系统中的