操作系统-第五讲-程序和进程

程序和进程

jyy 老师的讲义

内容回顾

  • 应用视角下的操作系统: 对象 + API
  • 硬件视角下的操作系统: 程序
  • 数学视角下的操作系统: 状态机

程序与进程

程序是状态机的静态描述，进程是动态运行的状态机。

进程是动态运行的状态机，当然需要 os 实时保存一些状态信息。

proc.c: 这个示例展示了如何获取进程的基本信息：除了使用 API （例如 getpid 是一个系统调用），Linux / proc 文件系统允许我们使用文件 API（"everything is a file"）访问当前进程的 ID、状态信息、命令行参数和工作目录等元数据。

运行程序可以看到如下输出（可以通过 ./proc | head -n 10 来指定显示的行数）：

Output proc 程序输出 

1pid: 1906250                                    // 进程 id


2ppid: 1904150                                   // 父进程 id


3


4--- Additional Process Information ---


5User ID: 1000                                   // 进程所有者的用户 id


6Group ID: 1000                                  // 进程所有者的组 id


7Effective User ID: 1000                         // 用于权限检查的 id


8Effective Group ID: 1000                        // 用于权限检查的 id


9Max open file descriptors: 1048576              // 进程可以同时打开的最大文件数量


10Process priority: 0                             // 进程的优先级


11


12--- Process Status (/proc/self/status) ---


13Name:   proc                                    // 进程名称


14State:  R (running)                             // 进程当前状态


15PPid:   1904150


16Uid:    1000    1000    1000    1000


17VmSize:     2776 kB                             // 虚拟内存大小


18


19--- Command Line (/proc/self/cmdline) ---


20Command line: ./proc                            // 程序执行时的完整命令行


21


22--- Current Directory (/proc/self/cwd) ---


23Current directory: /home/ubuntu/os/processes    // 程序的工作目录
testkit: Writing test cases fearlessly! 这是同学们的第一个测试框架：支持单元测试和系统测试，自动注册测试用例并在程序退出后运行。最重要的特点是它使用简单：你只需要包含 testkit.h，并且链接 testkit.c 即可。

进程（状态机）管理

进程管理意味着进程状态机的管理，os 显然是进程状态机的管理者。

直观的想法是：创建状态机 spawn(), 销毁状态机 _exit()

UNIX 的做法是：复制状态机 fork(), 复位状态机 execve()

fork()

man fork: 可以查看 fork 函数的签名和解释

如何区分两个状态机？新创建的进程（子进程）返回 0。

C fork_example.c 

1#include <unistd.h>


2#include <stdio.h>


3#include <sys/types.h>


4


5int main()


6{


7    pid_t x = fork();


8    printf("%d\n", x);


9


10    if (x == 0)


11        printf("%s\n", "I'm child !");


12    else


13        printf("%s\n", "I'm father !");


14


15    return 0;


16}

当子进程销毁时，会向父进程发送信号。然而，当父进程提前因为某些原因销毁后，子进程会被托管到系统进程进行”托孤”。

创建一棵进程子树: 创建一棵 5 层的进程树，并随机退出其中的一些进程——我们可以观察进程退出前后父子进程的关系。
fork 会完整复制状态机，包括寄存器和内存的值，子进程和父进程有完全相同的虚拟地址，但二者映射到的实际物理地址不同（Copy-On-Write 机制除外）。
Output fork 程序输出 

1PARENT PROCESS:


2    PID: 1934705, PPID: 1912865


3    fork() returned: 1934706 (child's PID)


4    Child PID: 1934706


5    Address of global_var: 0x559ced71d010


6    Address of local_var: 0x7ffd58ed9770


7CHILD PROCESS:


8    PID: 1934706, PPID: 1934705


9    fork() returned: 0


10    Address of global_var: 0x559ced71d010


11    Address of local_var: 0x7ffd58ed9770

阅读程序，判断一共创建了几个状态机：

C program1.c 

1// program 1


2pid_t x = fork();


3pid_t y = fork();


4printf("%d %d\n", x, y);
C program2.c 

1// program 2


2for (int i = 0; i < 2; i++) {


3    fork();


4    printf("Hello\n");


5}
理解 fork(): fork() 会完整复制状态机；新创建的状态机返回值为 0，执行 fork() 的进程会返回子进程的进程号。同时，操作系统中的进程是并行执行的。程序的精确行为并不显然——model checker 可以帮助我们理解它。

execve()

man execve: 可以查看 execve 函数的签名和解释

execve 可以将当前进程重置成一个可执行文件描述状态机的初始状态，而操作系统维护的状态不变（进程号、目录、打开的文件等等）。

execve 是唯一能够”执行程序”的系统调用，因此也是一切进程通过 strace 的第一个系统调用。例如，当你在 shell 中输入 ls 命令时，发生的过程是：

  1. Shell 解析命令：bash 识别 ls 命令
  2. Fork 创建子进程：shell 调用 fork() 创建子进程
  3. Execve 替换程序：子进程调用 execve() 将自己替换为 ls 程序

UNIX 中，创建一个新进程的方式就是 fork + execve。

理解 execve: execve 有三个参数：path, argv, envp，分别是可执行文件的路径、传递给 main 函数的参数和环境变量。execve 是一个 "底层" 的系统调用，而 POISX 额外提供了 execl 等库函数便于我们使用。请搜索互联网或询问人工智能理解它们的区别，并阅读它们的手册。

总结

Take-away Messages 操作系统通过进程抽象为应用程序提供了独立的执行环境。进程是操作系统中最基本的资源分配单位，它包含程序本身的状态和操作系统内部的状态。操作系统提供了一系列系统调用 (如 Linux 中的 fork、exec、wait 和 exit，Windows 中的 CreateProcess 和 TerminateProcess) 来创建、管理和终止进程。