【av68676164（p18-p20)】进程控制

4.2.1 进程控制的概念

进程控制的概念

• 在进程生存全期间，对其全部行为的控制
• 存在四个典型的控制行为
  • 创建进程
  • 阻塞进程
  • 撤销进程
  • 唤醒进程

进程创建

功能：创建一个具有制定标识（ID）的进程

参数：进程标识、优先级、进程起始地址、CPU初始状态、资源清单等。

创建进程的过程

• 创建一个空白PCB
• 获得并赋予进程标识符ID
• 为进程分配空间
• 初始化PCB
  • 默认值
• 插入相应的进程队列
  • 新进程插入就绪队列

进程创建的伪代码

// CPU的状态，内存，优先级
Create(Si, Mi, Pi) {
  // 分配新的PCB
  p = Get_New_PCB();
  // 分配进程的PID
  pid = Get_New_PID();
  // 设置进程的PID
  p->ID = pid;
  // CPU的状态
  p->CPU_State = Si;
  // 内存
  p->Memory = Mi;
  // 优先级
  p->Priority = Pi;
  // 进程状态
  p->Status.Type = "Ready";
  // 进程队列RL：Ready List
  p->Status.List = RL;
  ...;
  // 将进程p插入到就绪队列
  Insert(RL, p);
  // 调度程序
  Scheduler();
}

进程撤销

功能

• 撤销一个指定的进程
• 收回进程所占有的资源，撤销该进程的PCB

进程撤销的时机/事件

• 正常结束
• 异常结束
• 外界干预

进程撤销的实现

• 在PCB队列中检索出该PCB
• 获取该进程的状态
• 若该进程处在运行态，立即终止该进程
  • 【递归】检查是否有子进程，先撤销子进程
• 释放进程占有的资源
• 将进程从PCB队列移除

进程阻塞

功能：停止进程的执行，变为阻塞

阻塞的时机/事件

• 请求系统服务
  • 由于某种原因，OS不能立即满足进程的要求
• 启动某种操作
  • 进程启动某操作，阻塞等待该操作完成
• 新数据尚未到达
  • A进程要获得B进程的中间结果，A进程等待
• 无新工作可做
  • 进程完成任务后，自我阻塞，等待新任务到达

参数

• 阻塞原因
• 不同原因构建有不同的阻塞队列

进程阻塞的实现

• 停止运行
• 将PCB“运行态“改”阻塞态“
• 插入相应原因的阻塞队列
• 转调度程序

进程唤醒

功能：唤醒处于阻塞队列的某一个进程

引起唤醒的时机/事件

• 系统服务由不满足到满足
• I/O完成
• 新数据到达
• 进程提出新请求（服务）

参数：被唤醒进程的标识

原语

原语是由若干指令构成具有特定功能的函数

具有原子性，其操作不可分割

进程创建的原语：（同上伪代码），所以进程创建是一个原语

进程控制原语

• 创建原语
• 撤销原语
• 阻塞原语
• 唤醒原语

4.2.2 Windows进程控制

Windows启动EXE程序创建进程的方法

思考：Windows如何通过编程启动exe程序创建进程？

#include <iostream>
#include <Windows.h>
using namespace std;

const char* NOTEPAD_PATH = "C:/Windows/System32/notepad.exe";

int main() {
    system(NOTEPAD_PATH);
    WinExec(NOTEPAD_PATH, SW_SHOWNORMAL);
    ShellExecute(NULL, (LPCWSTR)L"open", (LPCWSTR)L"notepad.exe", NULL, NULL, SW_SHOWMAXIMIZED);

    PROCESS_INFORMATION pi;
    STARTUPINFO si;
    BOOL ret = CreateProcess(NULL, (LPWSTR)L"notepad.exe", NULL, NULL, FALSE, NULL, NULL, NULL, &si, &pi);

    return 0;
}

以下三个函数都是对CreateProcess的封装

_DCRTIMP int __cdecl system(
    _In_opt_z_ char const* _Command
);

WinExec(
    _In_ LPCSTR lpCmdLine,
    _In_ UINT uCmdShow
    );

SHSTDAPI_(HINSTANCE) ShellExecuteW(_In_opt_ HWND hwnd, _In_opt_ LPCWSTR lpOperation, _In_ LPCWSTR lpFile, _In_opt_ LPCWSTR lpParameters,
    _In_opt_ LPCWSTR lpDirectory, _In_ INT nShowCmd);

CreateProcess()创建进程

CreateProcessW(
    _In_opt_ LPCWSTR lpApplicationName,		// 可执行程序名
    _Inout_opt_ LPWSTR lpCommandLine,		// [可执行程序名]程序参数
    _In_opt_ LPSECURITY_ATTRIBUTES lpProcessAttributes,
    _In_opt_ LPSECURITY_ATTRIBUTES lpThreadAttributes,
    _In_ BOOL bInheritHandles,
    _In_ DWORD dwCreationFlags,				// 创建标志（优先级……）
    _In_opt_ LPVOID lpEnvironment,
    _In_opt_ LPCWSTR lpCurrentDirectory,
    _In_ LPSTARTUPINFOW lpStartupInfo,		// 启动信息（进程启动的状态，是否显示窗口……）
    _Out_ LPPROCESS_INFORMATION lpProcessInformation	//
    );

创建新进程

• 创建进程内核对象，创建虚拟地址空间
• 装载EXE和/或DLL的代码和数据到地址空间中
• 创建主线程和线程内核对象
• 启动主线程，进入主函数（main）

STARTUPINFO si = { sizeof(si) };
PROCESS_INFORMATION pi;
::CreateProcess((LPWSTR)L"C:/Windows/System32/notepad.exe", (LPWSTR)L"C:/readme.txt", NULL, NULL, FALSE, NULL, NULL, NULL, &si, &pi);

结束进程

• ExitProcess

WINBASEAPI DECLSPEC _NORETURN VOID WINAPI ExitProcess(UINT uExitCode);

• TerminateProcess

WINBASEAPI WINBOOL WINAPI TerminateProcess(HANDLE hProcess, UINT uExitCode);

4.2.3 Linux进程控制

创建进程

pid_t fork(void);

例子：

pid_t pid = fork();

#include <unistd.h>
#include <cstdio>

int main() {
    pid_t pid;
    int count = 0;
    pid = fork();
    printf("This is first time, pid = %d\n", pid);
    printf("This is second time, pid = %d\n", pid);
    count++;
    printf("count = %d\n", count);
    if (pid > 0) {
        printf("This is the parent process,the child has the pid:%d\n", pid);
    } else if (!pid) {
        printf("This is the child Process.\n");
    } else {
        printf("fork failed.\n");
    }
    printf("This is third time, pid = %d\n", pid);
    printf("This is fouth time, pid = %d\n", pid);
    return 0;
}

运行结果

This is first time, pid = 1174
This is second time, pid = 1174
count = 1
This is the parent process,the child has the pid:1174
This is third time, pid = 1174
This is fouth time, pid = 1174
This is first time, pid = 0
This is second time, pid = 0
count = 1
This is the child Process.
This is third time, pid = 0
This is fouth time, pid = 0

Process finished with exit code 0

• 新进程是当前进程的子进程
• 父进程和子进程
  • 父进程：fork()的调用者
  • 子进程：新建的进程
• 子进程是父进程的复制
  • 子进程和父进程有相同代码、数据、堆栈
  • 子进程的行为和父进程的行为一模一样
  • 子进程和父进程唯一不同的是PID
• 子进程和父进程可以并发运行

思考：下面程序在屏幕上将输出什么内容

int main() {
  fork();	// 子进程是父进程的复制，父子进程都输出了
  printf("Hello World!\n");

  return 0;
}

输出结果：

父子进程在并发运行

思考：下面程序运行结果是什么

#include <unistd.h>
#include <cstdio>

int main() {
    pid_t pid;
    pid = fork();
    if (pid == 0) {
        printf("Hello World!\n");
    } else if (pid > 0) {
        printf("How are you!\n");
    }

    return 0;
}

输出结果：

父子进程谁先输出不确定

fork返回值pid**

Upon successful completion, fork() returns a value of 0 to the child process and returns the process ID of the child process to the parent process. Otherwise, a value of -1 is returned to the parent process, no child process is created, and the global variable errno is set to indicate the error.

• 在子进程中，pid=0
• 在父进程中，pid>0（子进程ID）
• 出错：pid=-1

修改：增加输出pid，运行结果如下

PID of current Process is : 1609
How are you!	// 父进程
PID of current Process is : 0
Hello World!	// 子进程

Process finished with exit code 0

fork函数的实现

在文件/kernel/fork.c中

int do_fork(unsigned long clone_flags,
             unsigned long stack_start,
             unsigned long stack_size,
             int __user *parent_tidptr,
             int __user *child_tidptr) {
  struct task_struct *p;
  // 分配无力页面存放task_struct结构和内核空间的堆栈
  p = alloc_task_struct();
  // 把当前进程的task_struct结构中所有内容拷贝到新进程中
  *p = *current;
  // 判断用户进程数量是否超过了最大限制，否则不许fork
  if ((&p->user->processes) >= p->rlim[RLIMIT_NPROC].rlim_cur) {
    goto bad_fork_free;
  }
  // 子进程状态设TASK_UNINTERRUPTIBLE
  p->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
  // 拷贝进程的所有信息
  copy_files(clone_flags, p);
  copy_fs(clone_flags, p);
  copy_mm(clone_flags, p);
  // 进程创建后与父进程链接起来形成一个进程组
  list_add(&p->thread_group, &current->thread_group);
  // 唤醒进程，将其挂入可执行队列等待被调度
  wake_up_process(p);s
}

• 为子进程分配task_struct空间
• 初始化子进程task_struct
• 复制父进程的file，fs，sighand，mm等信息
• ……

进程执行与父进程不同的功能

exec函数簇（包括若干函数）

• 功能

  • 装入一个指定的可执行程序运行
  • 使子进程具有和父进程完全不同的新功能

• 步骤

  1. 根据文件名找到相应的可执行程序
  2. 将可执行程序的内容填入子进程的地址空间
  3. 进入新进程执行且不再返回

// unistd.h
int	 execl(const char * __path, const char * __arg0, ...) __WATCHOS_PROHIBITED __TVOS_PROHIBITED;
int	 execle(const char * __path, const char * __arg0, ...) __WATCHOS_PROHIBITED __TVOS_PROHIBITED;
int	 execlp(const char * __file, const char * __arg0, ...) __WATCHOS_PROHIBITED __TVOS_PROHIBITED;
int	 execv(const char * __path, char * const * __argv) __WATCHOS_PROHIBITED __TVOS_PROHIBITED;
int	 execve(const char * __file, char * const * __argv, char * const * __envp) __WATCHOS_PROHIBITED __TVOS_PROHIBITED;
int	 execvp(const char * __file, char * const * __argv) __WATCHOS_PROHIBITED __TVOS_PROHIBITED;