CSAPP 异常控制流 笔记

应用是如何与操作系统进行交互的？

异常

异常是异常控制流的一种形式，它一部分由硬件实现，一部分由操作系统实现。

在任何情况下，当处理器检测到有事件发生时，它就会通过一张叫做异常表的跳转表，进行一个间接过程调用，到一个专门设计用来处理这类事件的操作系统子程序（异常处理程序）。

理解的还是比较模糊，得调调源码看看细节。

类别

• 中断
• 陷阱
• 故障
• 终止

进程

关键抽象：

• 一个独立的逻辑控制流，它提供一个假象，好像程序独占了处理器。
• 一个私有的地址空间，它提供了一个假象，好像程序独占了内存系统。

进程实体

程序段、数据段、PCB 三部分组成了进程实体（进程映像）。

定义

传统定义：

• 进程是程序的一次执行过程
• 进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时所发生的活动
• 进程是具有独立功能的程序在数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位

进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

一道程序在一个数据集上的一次执行过程。

PCB

• 基本描述信息

  • 进程名（通常用文件名或命令名称表示）

  • 进程标识符 PID（唯一标识符）

  • 用户标识符 UID

  • 当前进程状态

• 管理信息

  • 程序和数据的地址
  • I/O 操作相关参数
  • 进程通信信息

• 控制信息

  • 现场信息（各种寄存器值，进程切换时这些运行情况都要保存到PCB中）
  • 调度参数
  • 同步、互斥信号量

组织形式

• 链接方式：按照进程状态将 PCB 分为多个队列，操作系统持有指向各个队列的指针

• 索引方式：根据进程状态的不同，建立几张索引表（底层是个啥），操作系统持有指向各个索引表的指针

特征

• 动态性：进程是程序的一次执行过程，是动态地产生、变化和消亡的（最基本的特征）
• 并发性：内存中有多个进程实体，各进程可并发执行
• 独立性：进程是操作系统分配资源的基本单位，一个进程的程序和数据只能由该进程本身访问。
• 异步性：各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，操作系统要提供“进程同步机制”来解决异步问题
• 结构性：每个进程都配置一个 PCB。结构上来看，进程由程序段、数据段和PCB组成

状态

运行态：CPU、其他资源均满足

就绪态：已具备运行条件，只欠CPU

阻塞态：因等待某一事件而不能执行。CPU、其他资源均不满足。等待操作系统或其他进程唤醒。

创建态：操作系统为进程分配资源、初始化PCB

终止态：进程正在从系统中撤销，操作系统将回收进程所拥有的资源、撤销PCB

注意：

• 不能由阻塞态直接转换为运行态

  申请的资源被分配，或等待时间发生了，只代表其他资源满足，此时进入就绪态，还要等CPU。

• 不能由就绪态转换成阻塞态。

  因为进入阻塞态需要进程主动请求，必然需要在运行时才能发出请求。

逻辑控制流

并发流

私有地址空间

用户模式和内核模式

运行应用程序代码的进程初始时是在用户模式中的。进程从用户模式变为内核模式的唯一方法时通过诸如中断、故障或者陷入系统调用这样的异常。当异常发生时，控制传递到异常处理程序，处理器从用户模式变为内核模式。处理程序运行在内核模式中，当它返回到应用程序代码时，处理器就把模式从内核模式改回到用户模式。

上下文切换

上下文是由程序正确运行所需的状态组成的。

这个状态包括存放在内存中的程序的代码和数据，以及它的栈、寄存器、PC、环境变量和打开文件描述符的集合。
Golang 从 2009 年正式发布以来，依靠其极高运行速度和高效的开发效率，迅速占据市场份额。Golang 从语言级别支持并发，通过轻量级协程 Goroutine 来实现程序并发运行。

Goroutine 非常轻量，主要体现在以下两个方面：

上下文切换代价小： Goroutine 上下文切换只涉及到三个寄存器（PC / SP / DX）的值修改；而对比线程的上下文切换则需要涉及模式切换（从用户态切换到内核态）、以及 16 个寄存器、PC、SP…等寄存器的刷新；

内存占用少：线程栈空间通常是 2M，Goroutine 栈空间最小 2K；

Golang 程序中可以轻松支持10w 级别的 Goroutine 运行，而线程数量达到 1k 时，内存占用就已经达到 2G。

进程控制

程序员角度，可认为进程总是处于三种状态之一：

• 运行：进程要么在 CPU 上执行，要么在等待被执行且最终会被内核调度。

• 停止：进程的执行被挂起（suspended），且不会被调度，直到收到 SIGCONT 信号再次运行。

• 终止：进程永远地停止了。

  三种原因可使得进程停止：

  • 收到一个信号，该信号的默认行为是终止进程。
  • 从主程序返回。
  • 调用 exit 函数。

主要功能：对系统中的所有进程实施有效的管理，包括创建新进程、撤销已有进程、实现进程状态转换。

原语：是一种特殊的程序，执行必须一气呵成，不可中断。用开、关中断实现的。

唤醒进程：

• 从等待队列中移出

• 修改 PCB 进程状态

• 加入就绪队列

获取进程 ID

#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

pid_t getpid(void);
pid_t getppid(void);

创建和终止进程

• 建立 PCB，生成 pid
• 初始化 PCB
• 加入就绪队列

#inlcude <stdlib.h>

pid_t fork(void);
void exit(int status);

回收子进程

当一个进程由于某种原因终止时，内核并不是立即把它从系统中清除。相反，进程被保持在一种已终止的状态中，直到被它的父进程回收（reaped）。当父进程回收已终止的子进程时，内核将子进程的退出状态传递个父进程，然后抛弃已终止进程，从此时开始，该进程才不存在。

一个终止了但还未被回收的进程成为僵死进程（zombie）。

僵死进程已经终止了，但内核仍保留着它的某些状态直到父进程回收它为止。

一个进程可通过调用 waitpid() 来等待它的子进程终止或者停止。

#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

pid_t waitpid(pid_t pid, int* statusp, int options);

（TODO：深入整理）

让进程休眠

• 修改 PCB 中的进程状态
• 现场保护
• 将进程加入合适的等待队列

#include <unistd.h>

unsigned int sleep(unsigned int secs);

int pause(void);  // 休眠至进程接收到一个信号

加载并运行程序

execve() 函数在当前进程的上下文加载并运行一个新程序。

fork() 函数则是在新的子进程中运行相同的程序，新的子进程是父进程的一个复制品。

#include <unistd.h>

int execve(const char* filename, const char** argv, const char** envp);

与 fork 一次调用两次返回不同，execve 调用一次并从不返回。

调度

一旦资源不足时就需要进行调度，比如现实中的十字路口，需要红绿灯来调度。

作业与进程调度的区别：作业是内外存的调度，进程是CPU与内存间的调度

性能指标

• 周转时间和平均周转时间

  周转时间 = 完成时刻 - 提交作业时刻

  平均周转时间 = 总周转时间 / n

  加权平均周转算法 =

• 响应时间

• 评价调度性能的其他指标

  • 公平合理
  • 提高资源利用率
  • 吞吐量

作业调度

作业调度：按一定的策略从后备队列中选择一部分作业，为他们分配运行所必须的资源、创建进程的过程。

总的来说，都是一个作业执行结束后再开始调度。

提交状态：

后备状态：

执行状态：作业进入了内存

完成状态：

对长作业有利、短作业不利

上一作业运行结束后，在就绪作业里选择时间最短的。

响应比 = （系统当前时间 - 作业提交时间） / 作业大小

优先选择响应比最大的作业

进程调度

从进程就绪队列中选一个进程，让其占用CPU运行。

公平地、轮流地为各个进程服务，让每个进程在一定时间间隔内都可以得到响应。

优点：公平、响应快，适用于分时操作系统。

缺点：由于高频率的进程切换，因此有一定开销；不区分任务的紧急程度。

调度时选择优先级最高的作业 / 进程。

优先级分配有静态和动态两种。

对于 I/O 繁忙和 CPU 繁忙的进程，应该赋予 I/O 繁忙进程更高的优先级，有利于提高并行程度。

用于实时系统的调度。

交换调度

缓解内存紧张，将一部分就绪状态或阻塞状态进程调出到外存，需要的时候再调回来，即内外存交换。

设备调度

让哪个进程使用该设备。

死锁

根本原因：系统拥有的资源数量小于各进程对资源的需求总数。

死锁：各进程互相等待对方手里的资源，导致各进程都阻塞，无法向前推进。

​ 至少有两个或两个以上的进程同时死锁，死锁进程一定处于阻塞态。

饥饿：可能只有一个进程发生饥饿。

死循环：可能只有一个进程发生死循环，死循环的进程也可能就绪。

死锁和饥饿是操作系统要解决的问题，死循环是程序员的事情。

如果系统中的所有进程存在一个可完成的执行序列P1，…，Pn，则称系统处于安全状态。

• 互斥：对必须互斥使用的资源的争夺才会导致死锁。
• 不剥夺：进程保持的资源只能主动释放，不能被强行剥夺。
• 请求与保持：保持着某些资源不放的同时，请求别的资源。
• 环路等待：存在一种进程资源的循环等待链。循环等待未必死锁。

预防：破坏死锁产生的四个必要条件

避免：避免系统进入不安全状态（银行家算法）

检测和解除：允许死锁发生，系统负责检测出死锁并解除。

忽略：鸵鸟算法

系统调用错误处理

参见 error.h，这里想说的还是对错误返回处理的封装。

信号

一个信号就是一条小消息，它通知进程系统中发生了一个某种类型的时间。在 Linux 上支持了 30 中不同类型的信号。每个信号类型都对应于某种系统事件。

低层的硬件异常是由内核异常处理程序处理的，正常情况下，对用户进程而言是不可见的。

信号提供了一种机制，通知余户进程发生了这些异常。

发送

内核通过更新目的进程上下文中的某个状态，发送一个信号给目的进程。

发送信号可以有如下两种原因：

• 内核检测到一个系统事件，比如除零错误或者子进程终止。
• 一个进程调用了 kill 函数，显示地要求内核发送一个信号给目的进程。

一个进程可以发送信号给它自己。

Unix 系统发送信号的机制

• 进程组

  每个进程都只属于一个进程组，进程组是由一个正整数进程组 ID 来标识的。

  默认一个子进程和它父进程同属于一个进程组。

  #include <unistd.h> pid_t getpgrp(void); // 返回调用进程的进程组 ID int setpgid(pid_t pid, pid_t pgid); // 设置进程组成功返回 0，否则为 -1

• 用 /bin/kill 程序

  kill -9 1023# 杀掉 1023 进程 kill -9 -1023# 杀掉 1023 进程组的每个进程

• 从键盘发送

  CTRL + C / Z ：终止 / 挂起

• 用 kill 函数

  #include <sys/types.h> #include <signal.h> int kill(pid_t pid, int sig);

• 用 alarm 函数发送

  进程可通过调用 alarm 函数向自己发送 SIGALRM 信号，网络编程中可拿来处理超时。

  #include <unistd.h> unsigned int alarm(unsigned int secs);

接收

当目的进程被内核强迫以某种方式对信号的发送做出反应时，它就接收了信号。进程可以忽略这个信号，终止或者通过执行一个信号处理函数的用户层函数捕获这个信号。

处理

非本地跳转

操作进程的工具

• strace

  打印一个正在运行的程序和它的子进程调用的每个系统调用的轨迹。

  这是一个超级牛逼的工具，比如你想跟进 PHP 内核底层实现，这就能收获大量信息。

• ps

  列出当前系统中的进程（包括僵尸进程）。

• top

  打印出关于当前进程资源使用的信息。

• pmap

  显示进程的内存映射。

• /proc

  一个虚拟文件系统，以 ASCII 文本格式输出大量内核数据结构的内容（从这也能感受到 Linux 文件的重要性），用户程序可以读取这些内容。

  （TODO：补充详细结构及其作用）

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