Lec 09 进程

Lec 09 process

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• Lec 09 process
  • 回顾
    • 分时复用有限的CPU资源
    • 应用程序和进程
    • 进程状态数据
    • 处理器上下文
  • 1 进程的表示：PCB
    • 进程：运行中的程序
    • 如何表示进程：进程控制块
    • 内核栈和用户栈
  • 2 进程的创建
    • 如何实现进程的创建？
    • 进程创建1:PCB相关初始化
    • 进程创建2:可执行文件的加载
    • 进程创建3:准备运行环境
    • 进程创建4:处理器上下文初始化
  • 3 进程退出，等待
    • Version 1: 销毁PCB及其所有内容
      • 改进-1: 为进程添加退出状态支持
      • 改进-2: 修改process_waitpid
      • 改进-3: 安全性，限制进程等待的范围
    • 关于process_waitpid的疑问
  • 4 进程的状态
    • 进程的睡眠需求
    • 进程的五种典型执行状态
    • 调度
  • 5 案例分析：Linux进程创建
    • fork()
      • 优缺点分析
      • fork的替代接口
  • 6 ChCore微内核进程管理
    • PCB解耦设计
    • ChCore进程创建
  • 7 Chcore 进程切换
    • 五个步骤
    • 处理器上下文和进程上下文
    • 进程切换全过程
      • 1. p0进入内核态
      • 2. 上下文保存
      • 3. 切换
      • 4. p1处理器上下文恢复
  • 8.附加：ChCore进程切换实现

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回顾

分时复用有限的CPU资源

• 分时复用CPU
• 让多个应用程序轮流使用处理器核心
• 何时切换：操作系统决定
  • 运行时间片（例如100ms）
  • 时间片：每个程序每次最长连续运行时间。
• 高频切换：看起来是多个应用“同时”执行

应用程序和进程

• 通常一个应用程序对应一个进程
  • 在shell中输入可执行文件的名称
    • shell创建新进程，新进程执行可执行文件
  • 在图形界面双击应用图标
• 多进程程序：应用程序可以自己创建新进程
  • 创建新进程，在新进程只能够运行其他应用程序或者运行与自己一样的程序。

进程状态数据

• 操作系统提供给进程的抽象用于管理应用程序
  • 进程标识号，(process ID,PID)
  • 运行状态
    • 处理器上下文
  • 地址空间
  • 打开文件

处理器上下文

• 操作系统为每个进程维护处理器上下文
  • 包含回复进程执行需要的状态
  • 进程A执行到main函数任意一条指令的时候，切换到进程B执行，一段时间后再一次切换回进程A执行。
  • 需要保存以下状态：PC寄存器值，栈寄存器值，通用寄存器值，状态寄存器值。

1 进程的表示：PCB

进程：运行中的程序

• 进程是计算机程序运行时的抽象

  • 静态部分：程序运行需要的代码和数据
  • 动态部分：程序运行期间的状态（程序计数器，栈，堆）

• 进程具有独立的虚拟地址空间

  • 每个进程都具有“独占全部内存”的假象
  • 内核中同样包含内核栈，内核代码，数据。

如何表示进程：进程控制块

• 每个进程都对应一个元数据，称为进程控制块PCB。

  • 进程控制块存储在内核态，因为它由内核管理，不应被用户态的程序访问
    
    独立的虚拟地址空间是进程的标志性特征
    
    独立的执行上下文表明进程具有独立的执行能力。

• 进程控制块内应该保存：

  • 对立的虚拟地址空间
  • 独立的处理器上下文
  • 内核栈

内核栈和用户栈

• 应用需要内核栈

  • 进程在内核中依然需要执行代码，有读写临时数据的需求。
  • 进程在用户态和内核态的数据应该相互隔离，增强安全性。

• AArch64实现：两个栈指针寄存器

  • SP_EL1, SP_EL0
  • 进程进入内核后，自动完成栈寄存器切换。
  • x86直邮一个栈寄存器，需要保存恢复。

2 进程的创建

如何实现进程的创建？

• 进程包含：
  • 用户视角：代码，数据，堆栈
  • 内核视角：PCB，虚拟地址空间，上下文
  • 创建进程就是创建和初始化以上内容的过程

进程创建1:PCB相关初始化

• PCB及其包含的内容都需要创建以及初始化。
  • PCB本身数据结构的分配
  • 初始化PCB：虚拟内存
    • 创建和初始化vmspace数据结构
    • 分配一个物理页作为顶级页表
  • 内核栈：分配物理页，作为进程内核栈
  • 处理器上下文在应用运行前才进行初始化。

进程创建2:可执行文件的加载

• 可执行文件具有固定的存储格式
• 以ELF(Executable and Linkable Format)为例：
  • 程序头部表可以获取需要的段所在的位置
  • 通常只有代码段和数据端需要被加载(loadable)
  • 加载即从ELF文件中映射到虚拟地址空间的过程

进程创建3:准备运行环境

• 在返回用户态之前，还需要为进程准备运行所需要的环境
  • 分配用户栈（分配物理内存，映射到虚拟地址空间）
  • 准备程序运行时的环境
    • main函数:
      
      int main(int argc, char *argv[], char *envp[])

进程创建4:处理器上下文初始化

• 为什么直到最后才初始化处理器上下文？
  • 其包含的内容直到前序操作完成才确定。
    • SP：用户栈分配后才确定地址
    • PC（保存在ELR_EL1）：加载ELF后才了解到入口地址。
  • 大部分的寄存器初始值可以直接赋予0

3 进程退出，等待

Version 1: 销毁PCB及其所有内容

• 销毁PCB以及内部所有内容。
• 告知内核选择其他进程执行。

• 假设内核使用进程列表维护所有进程
  • 仍然调用schedule，让其他进程执行，自己在while循环中等待。

缺陷：

• 信息太少，ls进程退出时的返回值，shell进程无法获取。

改进-1: 为进程添加退出状态支持

• 分别修改PCB和process_exit的实现。

改进-2: 修改process_waitpid

• 如果进程已经设置为退出，则记录其退出状态并回收。
  • 进程资源的回收操作从exit移到了waitpid。

改进-3: 安全性，限制进程等待的范围

• 目标：只有创建进程的程序才能监控进程
• 实现：引入父（创建者）子（被创建者）进程概念
• 进程之间的创建关系构建了进程树
  • 第一个进程（树根）通常由内核主动创建。

关于process_waitpid的疑问

• 编程时，我们并没有强制创建者调用waitpid
  • 如果shell不调用waitpid，会出现什么情况呢
  • ls进程退出，但是没有销毁，称为zombie（僵尸）进程
  • 解决方案：init进程代为管理并回收资源。

4 进程的状态

进程的睡眠需求

• 等待其他事件：进入进程睡眠。轮询方式查看时间，没有到达规定的时间则继续等待。

进程的五种典型执行状态

• 新生(new): 刚刚调用process_create
• 就绪(ready): 随时准备执行（但是暂时没有执行）
• 运行(running): 正在执行
• 僵尸(zombie): 退出但未回收
• 终止(terminated): 退出且被回收

调度

• 目的：选出下一个可以执行 的进程
  • 可以执行=就绪(ready)

5 案例分析：Linux进程创建

fork()

• 语义：为调用进程创建一个一模一样的新进程

  • 调用进程为父进程，新进程为子进程
  • 接口简单，无需任何参数

• fork后的两个进程均为独立进程

  • 拥有不同的进程id
  • 可以并行执行，互不干扰（除非使用特定的接口）
  • 父进程和子进程会共享部分数据结构（内存、文件等）

• 通过返回值来判断父进程/子进程。0（子进程）非0（父进程）

• 父子进程执行的顺序由调度策略决定。

• 将父进程的PCB拷贝一份，实现比较简单

优缺点分析

• 优点：

  • 接口简介，（过去）实现简单
  • 创建进程和执行进程解耦，提高了灵活度。

• 缺点：

  • 创建拷贝的复杂度和PCB复杂度相关。
  • 完全拷贝过于粗暴（不如clone）
  • 性能差，可扩展性差。（不如vfork和spawn）
  • 不可组合性。(例如：fork()+pthread())

fork的替代接口

• vfork:类似于fork，但是父子进程共享同一个地址空间

• 优点：映射无需拷贝，性能更好

• 缺点：

  • 只能用在fork+exec场景中
  • 共享地址空间存在安全问题
  • 写时拷贝提供了vfork的优点给fork。

• posix_spawn:相当于fork+exec

• 优点：可扩展性，性能较好

• 缺点：不如fork灵活。

• clone:fork进阶版，可以选择性不拷贝内存

  • 优点：高度可控，可以按照需求调整
  • 缺点：接口复杂，选择性拷贝容易出错。

6 ChCore微内核进程管理

PCB解耦设计

• 内核态：Cap_group(能立组)
• 将资源（进程，内核栈，虚拟地址空间）均抽象成为对象
• 访问对象的凭证成为能力，而进程时分配和管理资源的基本单位。

• 用户态：proc
• 除内核中的资源（如vmspace）均移动到用户态管理

ChCore进程创建

• 逻辑和process_state相似，但使用微内核风格，很多功能都在用户态完成。

7 Chcore 进程切换

五个步骤

• 进出内核的五个步骤

1. 进程1进入内核态
2. 进程1处理器上下文保存
3. 进程上下文切换
4. 进程2处理器上下文恢复
5. 进程2返回用户态

处理器上下文和进程上下文

• 处理器上下文：用于保存切换时的寄存器状态（硬件），每个PCB中均有保存。
• 进程上下文：表示目前操作系统正在以哪个进程的身份运行（软件），通常使用一个指向PCB的全局指针表示。

切换节点位于所有调用schedule的地方。告知内核选择下一个执行的进程，涉及到进程的切换。

进程切换全过程

1. p0进入内核态

硬件完成部分寄存器保存，PC和PSTATE分别保存到ELR_EL1和SPSR_EL1

2. 上下文保存

将处理器中的寄存器值保存到处理器上下文对应的位置

3. 切换

• 虚拟地址空间切换
  • 设置页表相关的寄存器(TTBR0_EL1)
  • 使用PCB中保存的页表基地址赋值给TTBR0_EL1
• 内核栈切换
  • 设置内核中的栈寄存器SP_EL1
  • 使用PCB中保存的内核栈顶地址赋值给SP_EL1
• 进程上下文切换
  • 设置cur_proc为之后要执行的进程(p1)
  • 表明操作系统将以p1的身份运行。

4. p1处理器上下文恢复

• 从处理器上下文中加载各个寄存器的值，放入对应的寄存器中。
• 硬件自动恢复部分寄存器，将ELR_EL1和SPSR_EL1中的值自动保存到PC和PSTATE中。

8.附加：ChCore进程切换实现