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高级操作系统——XV6进程管理

發(fā)布時(shí)間：2023/12/9 windows 32 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了高级操作系统——XV6进程管理小編覺得挺不錯(cuò)的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個(gè)參考.

源代碼閱讀：
type.h：用于聲明一些數(shù)據(jù)類型的簡化名稱，和聲明頁表指針的數(shù)據(jù)類型。
param.h：主要用于聲明基本的一些常量，包括內(nèi)核棧大小等。
memlayout.h：主要用于聲明一些和內(nèi)存與地址相關(guān)的常量與方法，包括虛擬內(nèi)存轉(zhuǎn)物理內(nèi)存的方法以及物理內(nèi)存轉(zhuǎn)虛擬內(nèi)存的方法等。
defs.h：聲明在之后文件中要用到的函數(shù)。
x86.h：讓c代碼使用特殊的x86匯編的一些函數(shù)包括outb等，并聲明trapframe。
asm.h：一些匯編上的宏定義
mmu.h：定義x86內(nèi)存管理單元，包括控制寄存器CR上的不同位代表的含義。
elf.hELF：可執(zhí)行文件的格式，包括ELF頭的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。
vm.c：一些cpu虛擬內(nèi)存管理的函數(shù)
proc.h：聲明了CPU在內(nèi)核中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示struct cpu，進(jìn)程在內(nèi)核中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct proc，上下文在內(nèi)核中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct context。
swtch.S聲明用于上下文切換的swtch函數(shù)，匯編語言生成
kalloc.c聲明一些物理內(nèi)存分配的函數(shù)，包括分配的kalloc()和用于free的kfree()。

Proc.c:
Ptable:進(jìn)程索引表
Nextpid：進(jìn)程的ID
Allocproc：分配進(jìn)程的內(nèi)核棧和一些寄存器，將進(jìn)程狀態(tài)UNUSED改寫為EMBRYO
Userinit：第一個(gè)進(jìn)程的初始化操作
Growproc：增加或者減少所占用的內(nèi)存空間
Fork()：創(chuàng)建進(jìn)程
Exit()：退出當(dāng)前進(jìn)程，并將其父進(jìn)程喚醒
Wait()；等待子進(jìn)程退出的
scheduler()：內(nèi)核運(yùn)行時(shí)用于進(jìn)程調(diào)度的循環(huán)
sched()：切換到內(nèi)核的
yield()：放棄cpu占用
sleep()；換成SLEEPING狀態(tài)，并通過chan標(biāo)志進(jìn)程
wakeup()；喚醒chan上所有的進(jìn)程
kill()：殺死進(jìn)程
procdump；向控制臺上打印當(dāng)前進(jìn)程狀態(tài)的

(一) 什么是進(jìn)程，什么是線程？操作系統(tǒng)的資源分配單位和調(diào)度單位分別是什么？XV6 中的
進(jìn)程和線程分別是什么，都實(shí)現(xiàn)了嗎？
答案：
（1）什么是進(jìn)程：
1：操作系統(tǒng)由單道處理轉(zhuǎn)向多道處理，傳統(tǒng)的靜態(tài)程序已經(jīng)不能描述執(zhí)行的并發(fā)性，所以由動態(tài)的進(jìn)程對多道并發(fā)進(jìn)行描述。
2：進(jìn)程是程序，數(shù)據(jù)，程序控制塊的集合
（2）什么是線程：
（3）：進(jìn)程占用空間多，切換時(shí)空消耗大。而為了降低時(shí)空消耗，引入了線程
引入線程前：資源分配單位和調(diào)度為進(jìn)程
引入線程后：資源分配的單位是進(jìn)程，調(diào)度的單位是線程
（4）XV6中只實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程proc，具體內(nèi)容在proc.c中

(二) 進(jìn)程管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是什么？在 Windows，Linux，XV6 中分別叫什么名字？其中包含哪些內(nèi)容？操作系統(tǒng)是如何進(jìn)行管理進(jìn)程管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的？它們是如何初始化的？
（1）：進(jìn)程管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是進(jìn)程控制塊。
（2）：Linux：task_struct
Windows：EPROCESS、KPROCESS、PEB
XV6：proc .h,proc.c
（3）：包含進(jìn)程描述信息，進(jìn)程控制信息，所擁有的資源和使用情況，CPU現(xiàn)場信息
1：Linux下為/include/linux/sched.h內(nèi)部的struct task_struct，其中包括管理進(jìn)程所需的各種信息。創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程時(shí)，系統(tǒng)在內(nèi)存中申請一個(gè)空的task_struct ，并填入所需信息。同時(shí)將指向該結(jié)構(gòu)的指針填入到task[]數(shù)組中。
2：Windows下?lián)碛袃蓚€(gè)相關(guān)的對象，EPROCESS(執(zhí)行體進(jìn)程對象) KPROCESS(內(nèi)核進(jìn)程對象 )其中KPROCESS又稱為PCB
EPEOCESS位于內(nèi)核層之上它側(cè)重于提供各種管理策略，同時(shí)為上層應(yīng)用程序提供基本的功能接口。所以，在執(zhí)行體層的進(jìn)程和線程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，有些成員直接對應(yīng)于上層應(yīng)用程序中所看到的功能實(shí)體。
KPROCESS結(jié)構(gòu)體位于內(nèi)核層，存儲著進(jìn)程的必要信息

3：XV6下在proc .h內(nèi)聲明，包括進(jìn)程 ID ，進(jìn)程狀態(tài) ，父進(jìn)程，context，cpu記錄了內(nèi)存地址和棧指針等
xv6的PCB就是proc.h中的proc結(jié)構(gòu)體。其內(nèi)容包括：
uint sz：進(jìn)程的內(nèi)存空間大小。
pde_t* pgdir：進(jìn)程的頁表。
char *kstack：進(jìn)程的內(nèi)核棧指針
enum procstate state：進(jìn)程的狀態(tài)（包括六種UNUSED, EMBRYO, SLEEPING, RUNNABLE, RUNNING, ZOMBIE）
int pid：進(jìn)程的pid
struct proc *parent：進(jìn)程的父進(jìn)程指針。
struct trapframe *tf：位于x86.h，是中斷進(jìn)程后，需要恢復(fù)進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行所保存的寄存器內(nèi)容。
struct context *context：切換進(jìn)程所需要保存的進(jìn)程狀態(tài)。切換進(jìn)程需要維護(hù)的寄存器內(nèi)容，定義在proc.h中。
void *chan：不為0時(shí)，保存該進(jìn)程睡眠時(shí)的隊(duì)列。
int killed：不為0時(shí)，則該進(jìn)程被殺死。
struct file *ofile[NOFILE]：打開文件的組。
struct inode *cwd：進(jìn)程當(dāng)前的目錄。
char name[16]：進(jìn)程名。
（4）：Xv6通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)ptable對進(jìn)程進(jìn)行管理，代碼如下：
struct {
struct spinlock lock;
struct proc proc[NPROC];
} ptable;
（5）：Xv6的初始化操作：
1：第一個(gè)進(jìn)程初始化：自舉程序bootmain.c，調(diào)用主方法main.c，調(diào)用proc.c中的userinit()建立
2：第一個(gè)用戶進(jìn)程(分配了一個(gè)物理頁，并將這個(gè)物理地址頁映射到虛擬地址為0處，將原來的加載到物理地址為0處的initcode.S的代碼加載到這個(gè)虛擬地址對應(yīng)的物理頁中。另外還設(shè)置進(jìn)程的trapframe，以便能從內(nèi)核態(tài)返回到用戶態(tài))
3：之后的進(jìn)程初始化：調(diào)用fork()
4：無論是userinit()還是fork()都會調(diào)用allocproc()函數(shù)
5：allocproc的工作是在頁表中分配一個(gè)槽（即結(jié)構(gòu)體 struct proc），并初始化進(jìn)程的狀態(tài)，為其內(nèi)核線程的運(yùn)行做準(zhǔn)備。簡而言之，即設(shè)置好一個(gè)特別準(zhǔn)備的內(nèi)核棧和一系列內(nèi)核寄存器，并將進(jìn)程狀態(tài)由UNUSED改寫為EMBRYO

(三) 進(jìn)程有哪些狀態(tài)？請畫出 XV6 的進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖。在 Linux，XV6 中，進(jìn)程的狀態(tài)分別包括哪些？你認(rèn)為操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者為什么會有這樣的設(shè)計(jì)思路？
（1）：進(jìn)程狀態(tài)分別有：UNUSED,EMBRYO,RUNNABLE,RUNNING,SLEEPING,ZOMBIE
1:UNUSED:進(jìn)程的初始化狀態(tài)(enum枚舉特性決定)
2:fork()或者userinit()中調(diào)用allocproc()即分配內(nèi)核棧后改為EMBRYO
3:fork()或者userinit()進(jìn)行一系列初始化操作后改為RUNNABLE
4:scheduler()會一直執(zhí)行選擇進(jìn)程改為RUNNING,進(jìn)程調(diào)用yield()改為RUNNABLE，調(diào)用sleep()改為SLEEPING，而wakeup()由SLEEPING改為RUNNABLE
5:程序調(diào)用exit()和wait()會將其變?yōu)閆OMBIE

（2）：Linux進(jìn)程狀態(tài)：創(chuàng)建，就緒，執(zhí)行，阻塞，就緒掛起，阻塞掛起，結(jié)束

（3）：提高CPU的利用率，增加并發(fā)能力

(四) 如何啟動多進(jìn)程（創(chuàng)建子進(jìn)程）？如何調(diào)度多進(jìn)程？調(diào)度算法有哪些？操作系統(tǒng)為何要限制一個(gè) CPU 最大支持的進(jìn)程數(shù)？XV6 中的最大進(jìn)程數(shù)是多少？如何執(zhí)行進(jìn)程的切換？什么是進(jìn)程上下文？多進(jìn)程和多 CPU 有什么關(guān)系？

（1）：利用操作系統(tǒng)創(chuàng)建或者父進(jìn)程創(chuàng)建，在xv6中，第一個(gè)進(jìn)程是由Userinit()創(chuàng)建初始化，之后通過fork()創(chuàng)建初始化

（2）：利用調(diào)度算法進(jìn)行調(diào)度

（3）：先來先服務(wù)，短作業(yè)先服務(wù)，時(shí)間片輪轉(zhuǎn)發(fā)，優(yōu)先級調(diào)度法，多級反饋輪轉(zhuǎn)法，高響應(yīng)比優(yōu)先法

（4）：一是考慮內(nèi)存空間，進(jìn)程數(shù)量過多占用大量內(nèi)存二是增加了缺頁中斷的可能性，會導(dǎo)致cpu不斷的執(zhí)行頁面換入換出，浪費(fèi)大量時(shí)間

（5）：XV6的最大進(jìn)程數(shù)見param.h文件中的#define NPROC 64，最大64；
#define NPROC 64 // maximum number of processes

（6）：切換上下文：
1：當(dāng)前進(jìn)程通過調(diào)用yield()(可能是時(shí)間片用完)，進(jìn)行進(jìn)程切換。yield函數(shù)調(diào)用sched函數(shù)，sched函數(shù)啟動switch函數(shù)完成進(jìn)程切換，而switch又會觸發(fā)scheduler(void)，scheduler(void)中會選擇一個(gè)進(jìn)程切換上下文，仍調(diào)用swtch(&cpu->scheduler, proc->context);
2：整個(gè)流程是這樣的：yield->sched->switch->scheduler->switch
3：其中switch的函數(shù)原型void swtch(struct context **old, struct context *new);
4：它的工作主要包括：1. 保存當(dāng)前(old)進(jìn)程的上下文。 2. 加載新進(jìn)程(new)的上下文到機(jī)器寄存器中。可以理解為是匯編實(shí)現(xiàn)

（7）：進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，其硬件狀態(tài)保存在CPU 上的寄存器中，寄存器：程序計(jì)數(shù)器、程序狀態(tài)寄存器、棧指針、通用寄存器、其他控制寄存器的值。進(jìn)程不運(yùn)行時(shí)，這些寄存器的值保存在PCB 中。將CPU 硬件狀態(tài)從一個(gè)進(jìn)程換到另一個(gè)進(jìn)程的過程稱為
上下文切換

（8）：沒有必然聯(lián)系。一個(gè)CPU在某一時(shí)刻只能運(yùn)行一個(gè)進(jìn)程，宏觀上并行，微觀上串行。而多個(gè)CPU可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)程序

(五) 內(nèi)核態(tài)進(jìn)程是什么？用戶態(tài)進(jìn)程是什么？它們有什么區(qū)別？
（1）：系統(tǒng)分為內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)。在內(nèi)核里產(chǎn)生的進(jìn)程稱為內(nèi)核級進(jìn)程，在用戶態(tài)上產(chǎn)生的進(jìn)程稱為用戶態(tài)進(jìn)程。
（2）區(qū)別：
1）運(yùn)行在不同的系統(tǒng)狀態(tài)，用戶態(tài)進(jìn)程執(zhí)行在用戶態(tài)，內(nèi)核態(tài)進(jìn)程執(zhí)行在內(nèi)核態(tài)
2）進(jìn)入方式不同，用戶態(tài)進(jìn)程可直接進(jìn)入，內(nèi)核態(tài)必須通過運(yùn)行系統(tǒng)調(diào)用命令
3）返回方式不同，用戶態(tài)進(jìn)程直接返回，內(nèi)核態(tài)進(jìn)程有重新調(diào)度過程
4）內(nèi)核態(tài)進(jìn)程優(yōu)先級要高于用戶態(tài)進(jìn)程，并且內(nèi)核態(tài)進(jìn)程特權(quán)級別最高，它可以執(zhí)行系統(tǒng)級別的代碼
聯(lián)系：
用戶級進(jìn)程和內(nèi)核級進(jìn)程存在一對一，多對一，多對多的關(guān)系

(六) 首先看一個(gè)簡略的進(jìn)程在內(nèi)存中的布局

再看一個(gè)詳細(xì)的部分

在內(nèi)存中分為五部分：
(1)代碼區(qū)(Code segment)：存放程序的二進(jìn)制代碼文件
(2)常量區(qū)(Constant segment)：所有常量均存放在常量區(qū)。程序結(jié)束后由OS釋放通常是字符串常量
(3)全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)(Global data segment)：全局變量和靜態(tài)數(shù)據(jù)，函數(shù)內(nèi)部的靜態(tài)局部變量。程序結(jié)束有OS釋放
(4)堆區(qū)(Heap segment)：new,malloc產(chǎn)生的動態(tài)數(shù)據(jù)。由程序員分配和釋放一般一個(gè)new就要對應(yīng)一個(gè)delete
有時(shí)候堆區(qū)又分為自由存儲區(qū)，就是那些由malloc等分配的內(nèi)存塊，他和堆是十分相似的，不過它是用free來結(jié)束自己的生命的。
(5)棧區(qū)(Stack segment)：局部變量，函數(shù)參數(shù)。由編譯器自動分配和釋放
一個(gè)例子，大概介紹各個(gè)常量和變量的對應(yīng)區(qū)關(guān)系
//main.cpp
int a = 0; 全局初始化區(qū)
char *p1; 全局未初始化區(qū)
main()
{
int b; 棧
char s[] = “123”; 棧
char *p2 = “abcdefg”;abcdefg\0在常量區(qū)，p3在棧上。
char *p3; 棧
static int c =0；全局（靜態(tài)）初始化區(qū)
p1 = (char *)malloc(10);
p2 = (char *)malloc(20);
分配得來得10和20字節(jié)的區(qū)域就在堆區(qū)。
strcpy(p1, “123456”); 123456\0放在常量區(qū)，編譯器可能會將它與2所指向的"abcdefg"
優(yōu)化成一個(gè)地方。
}
棧和堆的區(qū)別
（1）申請后系統(tǒng)的響應(yīng)
棧：只要棧的剩余空間大于所申請空間，系統(tǒng)將為程序提供內(nèi)存，否則將報(bào)異常提示棧溢出。
堆:堆中空閑內(nèi)存地址是以鏈表方式進(jìn)行存儲的。當(dāng)需要申請分配時(shí)，遍歷鏈表尋找第一個(gè)大于所申請空間的堆結(jié)點(diǎn)，將此節(jié)點(diǎn)的空間分配給程序并且記錄本次分配的大小，以便于之后delete程序釋放內(nèi)存空間。
若找到的堆節(jié)點(diǎn)大于申請的大小，系統(tǒng)會將多余的部分重新放入空閑鏈表

（2）申請大小的限度
棧：在Windows下，棧是向低地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是一塊連續(xù)的內(nèi)存的區(qū)域。棧頂?shù)牡刂泛蜅５淖畲笕萘渴窍到y(tǒng)預(yù)先規(guī)定好的，在 WINDOWS下，棧的大小是2M如果申請的空間超過棧的剩余空間時(shí)，將提示overflow。因此，能從棧獲得的空間較小。
堆：堆是向高地址擴(kuò)展的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用鏈表來存儲，是不連續(xù)的內(nèi)存區(qū)域。而鏈表的遍歷方向是由低地址向高地址。堆的大小受限于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有效的虛擬內(nèi)存。由此可見，堆獲得的空間比較靈活，也比較

（3）申請效率的比較：
棧：系統(tǒng)自動分配，速度較快。但程序員是無法控制的
堆：由new分配的內(nèi)存，一般速度比較慢，而且容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片,不過用起來最方便.

（4）堆和棧中的存儲內(nèi)容
棧：在函數(shù)調(diào)用時(shí)，第一個(gè)進(jìn)棧的是主函數(shù)中后的下一條指令（函數(shù)調(diào)用語句的下一條可執(zhí)行語句）的地址，然后是函數(shù)的各個(gè)參數(shù)，在大多數(shù)的C編譯器中，參數(shù)是由右往左入棧的，然后是函數(shù)中的局部變量。注意靜態(tài)變量是不入棧的，會進(jìn)入全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)當(dāng)本次函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，局部變量先出棧，然后是參數(shù)，最后棧頂指針指向最開始存的地址，也就是主函數(shù)中的下一條指令，程序由該點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)行
堆：一般是在堆的頭部用一個(gè)字節(jié)存放堆的大小。堆中的具體內(nèi)容有程序員安排。

參考資源：
https://www.jianshu.com/p/e01680c00de4
https://blog.csdn.net/zhanglei8893/article/details/6101076
https://blog.csdn.net/qq_36347375/article/details/91354349
https://www.cnblogs.com/LittleHann/p/3454748.html
https://www.cnblogs.com/itzxy/p/9293677.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的高级操作系统——XV6进程管理的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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