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操作系统上的进程

本讲内容：操作系统上的进程

  • 线程、进程和操作系统
  • UNIX/Linux 进程管理 API

线程、进程和操作系统

在 UNIX/Linux 系统内核完成初始化后，只有一个 init 进程被启动。

  • init 进程跟 /usr/sbin/init是不一样的

此后，操作系统内核就化身为了一个事件驱动的程序、状态机的管理者，仅在中断和系统调用发生时开始执行。

ThreadOS 中的线程切换

课堂实验：中断时的寄存器和堆栈的查看。

计算机硬件也是状态机

  • “共享的内存，容纳了多个状态机”
  • 共享的代码
  • 共享的全局变量
  • 启动代码的堆栈 (仅启动代码可用)
  • \(T_1\) 的 Task (仅\(T_1\)和中断处理程序可用)
    • 堆栈 (中断时，寄存器保存在堆栈上)
  • \(T_2\)的Task (仅\(T_2\)和中断处理程序可用)
    • 堆栈 (中断时，寄存器保存在堆栈上)
  • 状态迁移
  • 执行指令或响应中断

什么是操作系统？

虚拟化：操作系统同时保存多个状态机

  • C 程序 = 状态机
  • 初始状态：main(argc, argv)
  • 状态迁移：指令执行
    • 包括特殊的系统调用指令 syscall
  • 有一类特殊的系统调用可以管理状态机
  • CreateProcess(exec_file)
  • TerminateProcess()

从线程到进程：虚拟存储系统

  • 通过虚拟内存实现每次 “拿出来一个执行”
  • 中断后进入操作系统代码，“换一个执行”

复制状态机：fork()

状态机管理：创建状态机

如果要创建状态机，我们应该提供什么样的 API？

UNIX 的答案: fork

  • 做一份状态机完整的复制 (内存、寄存器现场)
int fork();
  • 立即复制状态机 (完整的内存)
  • 复制失败返回 -1 (errno)
  • 新创建进程返回 0
  • 执行 fork 的进程返回子进程的进程号

状态机是复制的，因此总能找到 “父子关系”

  • 因此有了进程树 (pstree)
systemd-+-ModemManager---2*[{ModemManager}]
        |-NetworkManager---2*[{NetworkManager}]
        |-accounts-daemon---2*[{accounts-daemon}]
        |-at-spi-bus-laun-+-dbus-daemon
        |                 `-3*[{at-spi-bus-laun}]
        |-at-spi2-registr---2*[{at-spi2-registr}]
        |-atd
        |-avahi-daemon---avahi-daemon
        |-colord---2*[{colord}]
        ...
  • 复制是全部复制，包括“缓冲区”的复制、全局变量等，因此需要小心处理。

Fork Bomb

不停地创建进程，系统还是会挂掉的

:(){:|:&};:   # 刚才的一行版本

:() {         # 格式化一下
  : | : &
}; :

fork() {      # bash: 允许冒号作为标识符……
  fork | fork &
}; fork

重置状态机：execve()

状态机管理：重置状态机

execve：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

int execve(const char *filename, char * const argv[], char * const envp[]);
  • 执行名为 filename 的程序
  • 允许对新状态机设置参数argv(v)和环境变量envp(e)
  • 刚好对应了 main() 的参数！
  • execve 是唯一能够 “执行程序” 的系统调用
  • 因此也是一切进程 strace 的第一个系统调用

环境变量

“应用程序执行的环境”

  • 使用env命令查看
  • PATH: 可执行文件搜索路径
  • PWD: 当前路径
  • HOME: home 目录
  • DISPLAY: 图形输出
  • PS1: shell 的提示符

export: 告诉 shell 在创建子进程时设置环境变量

终止状态机：exit()

状态机管理：销毁状态机

有了 fork, execve 我们就能自由执行任何程序了，最后只缺一个销毁状态机的函数！

exit立即摧毁状态机

void _exit(int status)
  • 销毁当前状态机，并允许有一个返回值
  • 子进程终止会通知父进程 (后续课程解释)

结束程序执行的三种方法

  • exit(0) -stdlib.h 中声明的 libc 函数：可以执行 atexit注册的 hook；
  • _exit：glibc 的 syscall wrapper
  • 会调用syscall exit_group，终止进程（包括所有的线程） ；

  • 不会调用 atexit

  • syscall(SYS_exit, 0)

  • 执行 “exit” 系统调用终止当前线程
  • 不会调用 atexit

课后习题/编程作业

1. 阅读材料

教科书 Operating Systems: Three Easy Pieces