Linux基础教程(清华课件)1

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1、清华大学计算机基础教育课程系列教材汤荷美 董渊 李莉 程志锐 编著Linux基础教程（1） 操作系统基础2.1 作业 2.2 进程2.3 线程 2.4 小结 习题第2章 处理机管理提高处理机（CPU）的使用率，使它尽可能处于工作 状态，是操作系统管理功能的主要目标之一。 在Linux系统中，提高处理机使用率的技术措施主要 是多道和分时，处理机在进程之间切换，按照一定 的规则轮流执行每个进程。对于单个处理机的系 统，这些进程宏观上看似并行执行，而微观上来看 仍然是串行执行的，这种执行方式被称为并发执 行。操作系统通过并发控制机制，对处理机进行分 配、调度，在保证每个进程都得到公平合理执行的 同时

2、，使系统中的各种资源得到充分的使用。 本章主要围绕处理机管理展开，着重介绍进程的概 念，同时也包括相关的两个基本概念：作业和线 程。2.1 作业 作业是用户向计算机系统提交一项工作的基本单位， 是用户在一次事务处理或计算过程中要求计算机所 做工作的总和。 作业和程序是两个相互联系而又不同的概念。如果一 次业务处理可以由某一个程序完成，就是说这个业 务处理只要提交这一个程序就够了，这种情况下， 这个程序就是一个作业。通常，完成一次业务需要 由多个程序协同完成，这时，多个程序、这些程序 需要的数据以及必要的作业说明一起构成一个作 业。系统通过作业说明书或者作业控制语句(JCL) 控制程序和相应的数

3、据执行，完成整个业务处理。按照对作业的处理方式，可以分为联机、批处理等作 业。 Linux系统中的shell提供了操作系统和用户之间的联 机命令接口。 Linux的shell同时提供了程序级接口。用户通过提交 一个命令或一个命令序列以批处理方式执行特定的 操作（详见本书第2部分）。 在Linux分时批处理系统中，也可以根据对作业执行 时的响应特征分为前台作业和后台作业。 在多用户系统中，多个用户、不同类型的作业可能同 时请求执行，控制和管理这些作业，协调它们之间 的关系，就是作业调度，作业调度是处理机调度的 一部分。2.2 进程 计算机内存中同时存放多个相互独立的已经开始运行 的程序实体，大家

4、按照某种规则轮流使用处理器， 这是现代多道操作系统实现资源共享，提高系统资 源利用率的主要方式。描述这些程序实体的概念就 是进程。 在多道情况下，每个进程独立地拥有各种必要的资 源，占有处理机，独立地运行。在多道系统中，同 时存在多个进程，所以当某个进程进入等待状态 时，操作系统将把处理机控制权拿过来并交给其他 可以运行的进程。进程之间存在着相互制约、相互 依赖的约束关系。一种最糟糕的情况是所有进程都拥有部分资源，同时 在等待其他进程拥有的资源，这样，大家都无法运 行，进入一种永久等待的状态，这种情况称为死 锁，死锁是对系统资源极大的浪费，必须设法避 免。 本节着重讨论现代多道操作系统中的核心

5、概念进 程，这是理解操作系统工作原理的基础和关键。首 先介绍单个进程的状态、状态转换的条件和控制原 语、进程在系统中的静态描述等，接着介绍多个进 程之间的约束关系，由此引出进程间通信的概念， 通信是协调、解决进程间约束关系的惟一手段，这 种约束关系处理不当造成的最严重的后果就是死 锁。2.2.1 进程的概念 进程（process）的概念最早出现在60年代中期，用 于多道系统，在Linux系统中，进程也称为任务 （task）。简单地讲，进程就是正在运行的程序， 更为严谨的表达是，进程是一个具有一定独立功能 的程序关于某个数据集合的一次运行活动。 进程的概念对于理解操作系统有决定性的意义，而真 正

6、理解进程，必须了解它的基本性质。 进程是操作系统分配资源和进行调度的独立单位，具 有独立性。同时，具有动态性。多道系统中同时存 在多个进程，这些进程拥有各自的资源，各自独立 地执行，对于单处理机系统，进程宏观上同时运行 而微观上是依次执行，这种情况称为并发执行。1. 进程和程序 进程和程序是一对相互联系的概念。程序是指令的有 序集合，是一个静态的概念，描述完成某个功能的 一个具体操作过程，而进程是程序针对某一组数据 的一次执行过程，更强调动态特征。一个完整的进 程，包括程序、执行程序所需要的数据，同时还必 须包括记录进程状态的数据资料。 在多道分时操作系统中，按照时间片轮流在各个进程 间切换。

7、对于单处理器系统，每一个时刻只能有一 个进程在执行，当分配给该进程的时间片用完之 后，不管该进程运行到什么程度，都必须立即停 止，然后让出处理器资源，下一个进程进入执行状 态。让出处理器的进程必须记录好正在运行的状态，包括 寄存器、堆栈等各种信息，这些信息保证当处理器 下次切换到这个进程的时候，进程能够正确地从上 次执行到的位置继续往下执行。 一个程序在处理相同或不同的操作数据时可以同时对 应于多个进程。一个进程也可以包含多个程序，某 个程序在运行过程中，可能同时会调用到多个其他 程序，这些具有调用关系的多个程序共同构成一次 完整的运行活动，即一个完整的进程。举一个直观的例子。我们在Linux

8、系统下使用编辑器 vi进行编辑，同时打开多个窗口，编辑多个不同名 称的文件，vi编辑器是一个可执行程序，不同的文 件就是不同的操作数据，而对应于这些文件同时打 开的每一个编辑窗口就对应着一个进程，每一个进 程都处于不同的状态。 如果说程序是提供计算机操作的一组工作流程的话， 进程就是具体的工作过程，按照同样的工作流程， 针对不同的原料，可以同时开始多个工作过程，得 到多种不同的成品。这种工作流程和工作过程的关 系就可以类比为程序和进程的关系。2. 进程和作业 作业是用户向计算机系统提交一项工作的基本单位， 是用户在一次事务处理或计算过程中要求计算机所 做工作的总和。进程是一个具有一定独立功能的

9、程 序关于某个数据集合的一次运行活动，是操作系统 分配资源和进行调度的基本单位。 作业是描述用户向系统提交工作任务的实体单位，而 进程是系统完成工作任务时程序执行的实体单位。 从这个角度讲，他们处于不同的层次，作业描述用 户和操作系统之间的任务委托关系，而进程描述操 作系统内部任务的具体执行过程。一个用户的任 务，即作业，由用户提交给系统，必须以进程的形 式具体完成。对于批处理系统，通常，作业放在外存中专门的作业 队列中等待进入内存执行，要经过一次宏观调度， 由外存进入内存，以进程的形式运行。而对于 UNIX/Linux这样的分时系统，没有宏观调度，作 业不经过调度，直接进入内存，以进程的形式

10、开始 运行。任何一个进程，都存在于内存中，并且是已 经开始运行的动态实体。2.2.2 进程描述 我们知道，进程是一个动态的概念，描述程序的一次 运行活动。它存在于系统的内存中，是操作系统可 感知、可控制的动态实体，是系统分配各种资源、 进行调度的基本单位。 1. 进程控制块 现在我们来讨论进程在内存中的静态存在方式。在多 道系统中，处理机在多个进程之间来回切换，每个 进程都会在暂停、运行这两种状态之间来回转换。 当一个进程在处理机切换过来重新进入运行状态 时，它必须严格精确地接着上次运行的位置继续进 行，进程的静态描述可以保持切换现场，确保准确 衔接，保证进程调度的实现，顺利完成程序所规定 任

11、务。进程切换现场称为进程上下文(context)，包含了一个 进程所具有的全部信息，一般包括：进程控制块 （Process Control Block，PCB）、有关程序段和 相应的数据集，具体组成见图2.1。程序段是某个 进程执行的相关指令集合，和静态的程序段有明确 的对应关系，相应数据集是这个程序段正在操作的 那部分数据，PCB是记录进程各种状态的数据体， PCB是操作系统管理感知、控制进程的数据实体， 通过它，就可以找到进程的程序段和数据集，系统 正是通过PCB来控制进程的。一般来讲，PCB记录 着进程的所有资料，是全部或部分常驻内存的， PCB记录着程序段和数据集的地址指针，通过这些

12、指针，就可以得到具体的指令和数据。PCB记录了进程的全部控制信息，一般较庞大而复 杂，它可以按照功能大概分成四个组成部分：进程 描述信息、进程控制信息、进程相关的资源信息和 CPU现场保护结构（如图2.1）。图2.1 进程描述数据关系示意图（进程上下文）2. Linux的PCB Linux系统的进程控制块PCB用一个称为task-struct 的结构体来描述。 (1) 进程描述信息 通过进程描述信息，Linux系统可以惟一地确定某一 个进程的基本情况，可以了解该进程所属的用户及 用户组等信息，同时还能确定这个进程与所有其他 进程之间的关系。这些描述信息包括：进程号、用 户和组标识以及描述进程家

13、族关系的连接信息。 进程号（pid， process identifier） Linux系统为每一个进程分配一个标识号，通过这个 标识号识别、控制、调度这个进程，别的进程也通 过这个标识号来识别这个进程并与之通信，用户也 可以使用操作命令或系统调用通过标识号来控制该 进程。 用户和组标识（user and group identifier） Linux系统中有四类不同的用户和组标识，主要用来 控制进程对系统文件的访问权限，实现系统资源的 安全访问。 Linux使用组将文件和目录的访问特权授予一组用 户，一个进程可以同时属于多个组，这些组都被放 在进程的task-struct中的group数组中

14、。 连接信息（Links） Linux系统中的进程之间形成树状的家族关系，连接 信息记录某个进程的父进程、兄弟进程（具有相同 父进程的进程）以及子进程的信息，描述一个进程 在整个家族系统中的具体位置。 (2) 进程控制信息 进程控制信息记录了进程的当前状态、调度信息、记 时和时间信息以及进程间通信信息，是系统确定进 程的状态、了解进程之间的关系、进行进程调度的 主要依据。 进程当前状态 进程的生命周期中，总是不停地在各种状态之间转 换，有关进程的状态及转换规则，在下一小节讨 论。 调度信息 系统的调度程序利用这部分信息决定哪一个进程应该 运行，包括优先级、实时优先级、计数器和调度策 略。 记时

15、信息包括时间和定时器，给出进程占有和利用CPU的情 况，是调度的依据，也是进行统计、分析以及记费 的依据。 通信信息 多个进程之间通信的各种信息也记录在PCB中。 Linux支持典型的UNIX进程间通信机制信号、 管道，也支持System 通信机制共享内存、 信号量和消息队列。(3) 进程资源信息 Linux的PCB中包含大量的系统资源信息，这些信息 记录了与该进程有关的存储器的各种地址和资料、 文件系统以及打开文件的信息等等。通过这些资 料，进程就可以得到运行需要的相关程序段以及必 要的数据。 (4) CPU现场信息 进程的静态描述必须保证一个进程在获得处理机并重 新进入运行状态时，能够精确

16、地接着上次运行的位 置继续进行。相关程序段和数据集以及处理机现场 （或处理机状态）都必须保存。处理机（CPU）现 场信息一般包括处理机的内部寄存器和堆栈等基本 数据。task-struct是Linux系统的进程控制块（PCB），通 过对PCB的操作，系统为进程分配资源并进行调 度，最终完成进程的创建和撤销。系统利用PCB中 的描述信息来标识一个进程，根据PCB中的调度信 息决定该进程是否应该运行。如果这个进程要进入 运行，首先根据其中的CPU现场信息来恢复运行现 场，然后根据资源信息获取对应的程序段和数据 集，接着上次的位置开始执行，同时通过PCB中的 通信信息和其他进程协同工作。2.2.3 进程状态及转换 系统通过PCB对进程进行控制，进程不断地在不同的 状态之间转换。 1. 进程的基本状态 在分时系统中，一个进程拥有了所需要的全部资源， 就可以开始执行，当分配的时间片结束，让出CPU 资源，这种只要能够占有CPU就能进入执行的状态 称为就绪状态。有时，多个进程之间互相制约，某 个进程必须等到某个事件发生（才能够竞争CPU资