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OS2023(15)

15. 操作系统上的进程

Changelog & 反馈

• 上次课没准备 debug 代码，属于失败了 (今天补上)
• 期中测验：下周二 (4.11) 上午 10:10-12:00
• L2 已经发布，但依赖于 L1
  • 建议大家留一个 “一把大锁” 的 baseline L1
  • L1 的测试用例其实不强，你有 bug 可能是逮不到的

背景回顾：有关状态机、并发和中断的讨论给我们真正理解操作系统奠定了基础，现在我们正式进入操作系统和应用程序的 “边界” 了。让我们把视角回到单线程应用程序，即 “执行计算指令和系统调用指令的状态机”，开始对操作系统和进程的讨论。

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

slideshow('15.1')

demo('thread-os', 'c/thread-os-singlecpu')

demo('minimal', 'i/minimal')

实际上，在 UNIX/Linux 系统内核完成初始化后，只有一个 init 进程被启动，从此以后，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。我们看到的 “花花世界”，完全是由进程 (也就是状态机管理) 管理的 API (系统调用) 创建出来的。

slideshow('15.2')

demo('fork-demo', 'v/fork-demo.c')

model('m/fork-demo.py', check=True)

 1def main():
 2  x = sys_fork()
 3  sys_sched()
 4  y = sys_fork()
 5  sys_sched()
 6  sys_write(f'{x} {y}; ')
 7
 8# Outputs:
 9# 0 0; 0 1003; 1002 0; 1002 1004;
10# 0 0; 0 1003; 1002 1004; 1002 0;
11# 0 0; 0 1004; 1002 0; 1002 1003;
12# 0 0; 0 1004; 1002 1003; 1002 0;
13# 0 0; 1002 0; 0 1003; 1002 1004;
14# 0 0; 1002 0; 0 1004; 1002 1003;
15# 0 0; 1002 0; 1002 1003; 0 1004;
16# 0 0; 1002 0; 1002 1004; 0 1003;
17# 0 0; 1002 1003; 0 1004; 1002 0;
18# 0 0; 1002 1003; 1002 0; 0 1004;
19# 0 0; 1002 1004; 0 1003; 1002 0;
20# 0 0; 1002 1004; 1002 0; 0 1003;
21# 0 1003; 0 0; 1002 0; 1002 1004;
22# 0 1003; 0 0; 1002 1004; 1002 0;
23# 0 1003; 1002 0; 0 0; 1002 1004;
24# 0 1003; 1002 0; 1002 1004; 0 0;
25# 0 1003; 1002 1004; 0 0; 1002 0;
26# 0 1003; 1002 1004; 1002 0; 0 0;
27# 0 1004; 0 0; 1002 0; 1002 1003;
28# 0 1004; 0 0; 1002 1003; 1002 0;
29# 0 1004; 1002 0; 0 0; 1002 1003;
30# 0 1004; 1002 0; 1002 1003; 0 0;
31# 0 1004; 1002 1003; 0 0; 1002 0;
32# 0 1004; 1002 1003; 1002 0; 0 0;
33# 1002 0; 0 0; 0 1003; 1002 1004;
34# 1002 0; 0 0; 0 1004; 1002 1003;
35# 1002 0; 0 0; 1002 1003; 0 1004;
36# 1002 0; 0 0; 1002 1004; 0 1003;
37# 1002 0; 0 1003; 0 0; 1002 1004;
38# 1002 0; 0 1003; 1002 1004; 0 0;
39# 1002 0; 0 1004; 0 0; 1002 1003;
40# 1002 0; 0 1004; 1002 1003; 0 0;
41# 1002 0; 1002 1003; 0 0; 0 1004;
42# 1002 0; 1002 1003; 0 1004; 0 0;
43# 1002 0; 1002 1004; 0 0; 0 1003;
44# 1002 0; 1002 1004; 0 1003; 0 0;
45# 1002 1003; 0 0; 0 1004; 1002 0;
46# 1002 1003; 0 0; 1002 0; 0 1004;
47# 1002 1003; 0 1004; 0 0; 1002 0;
48# 1002 1003; 0 1004; 1002 0; 0 0;
49# 1002 1003; 1002 0; 0 0; 0 1004;
50# 1002 1003; 1002 0; 0 1004; 0 0;
51# 1002 1004; 0 0; 0 1003; 1002 0;
52# 1002 1004; 0 0; 1002 0; 0 1003;
53# 1002 1004; 0 1003; 0 0; 1002 0;
54# 1002 1004; 0 1003; 1002 0; 0 0;
55# 1002 1004; 1002 0; 0 0; 0 1003;
56# 1002 1004; 1002 0; 0 1003; 0 0;

demo('fork-printf', 'v/fork-printf.c')

model('m/fork-printf.py', check=True)

1def main():
2  for _ in range(2):
3    sys_fork()
4    sys_write('⭐️')
5
6# Outputs:
7# ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️

model('m/fork-printf1.py', check=True)

1def main():
2  heap.buf = ''
3  for _ in range(2):
4    sys_fork()
5    heap.buf += '⭐️'
6  sys_write(heap.buf)
7
8# Outputs:
9# ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️

slideshow('15.3')

demo('execve-demo', 'v/execve-demo.c')

slideshow('15.4')

demo('exit-demo', 'v/exit-demo.c')

Take-away Messages

因为 “程序 = 状态机”，操作系统上进程 (运行的程序) 管理的 API 很自然地就是状态机的管理。在 UNIX/Linux 世界中，这是通过以下三个最重要的系统调用实现的：

• fork: 对当前状态机状态进行完整复制
• execve: 将当前状态机状态重置为某个可执行文件描述的状态机
• exit: 销毁当前状态机

在对这个概念有了绝对正确且绝对严谨的理解后，操作系统也就显得不那么神秘了。

课后习题/编程作业

1. 阅读材料

教科书 Operating Systems: Three Easy Pieces:

• 第 3 章 - Dialogue
• 第 4 章 - Processes
• 第 5 章 - Process API

2. 编程实践

在你的机器上重现课堂代码上的结果，并确保你对代码的行为有清楚的理解，之后就可以在手册的帮助下完成实验。

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   苏 ICP 备 2020049101 号