第三章处理程序的说明和控制Process Description and Control

第三章處理程序的說明及控制

Process

Description

and

Control1z

所有多重程式(multi-programmed)作業系統都建立在

process的概念z

大部分作業系統需滿足的需求y交錯多個process的執行，在理想反應時間下達到最大的處理器使用率。y

遵從特定的政策(例如，高優先權)來配置資源給process，且避免死結的發生。y

支援process間的相互通訊(inter-process

communication)、使用者

process的建立。z

從了解process的表示與控制，開始學習作業系統!3.1處理程序的狀態2z

從處理器的觀點看process交錯執行y

處理器藉由改變程式計數器(Program

Counter,PC)的數值，依序執行指令。y

追蹤process的軌跡(trace)：列出每個process執行指令的順序。處理程序A,B,C的軌跡(c)5000800012000500180011200150028002120025003800312003500412004500512005500612006500712007500812008500912009501012010Figure

3.1

Snapshot

of501112011ExampleExecution(a)(b)3(Figure

3.3)

atInstruction

Cycle

13所有處理程序結合的軌跡500050015002500350045005時間到10010110210310410580008001z

8002z8003zI/O請求z100z101z102z103z104z105z12000z12001z12002z12003z12004z12005z

時間到z100z101z102z103z104z105z5006z5007z5008z5009z5010z5011z時間到z100Figure

3.3

Combined

Tracez

o10f1

Processes

of

Figu4re

3z102z103z104z105z12006z12007z12008z12009z12010z12011z時間到雙狀態(two-state)處理程序模型z

Process的兩種狀態y

執行(Running)y

未執行(Not

Running)z中斷的process被移等待佇列中。z分派程式由佇列中選擇一個process執行：。至。5建立處理程序的原因6z

新的批次工作：讀入下一個工作控制命令(Job

ControlCommand)。z

互動式登入：使用者在終端機登入到系統。z

被作業系統建立來提供服務：產生新process以進行特定功能，避免使用者等待。z

由現有的process產生：為了模組化或平行處理，使用者程式可建立其他process。y

Process產生另一Process時，彼此為親子關係(Parent

and

Child)。處理程序終止的原因7z

正常完成(Normal

completion)y

批次工作下達停止(Halt)指令或系統呼叫。y

使用者登出。y

Process發出終止執行的請求。z

執行時發生錯誤：y

超過時間限制(Time

limit

exceeded)、記憶體不足(Memoryunavailable)、違反記憶體邊界(Memory

bounds

violation)y

保護錯誤(Protection

error)：write

to

read-only

filey

算術錯誤(Arithmetic

error)：除以0，或超出最大值。y

時間超過(Time

overrun)：process

waited

longer

than

a

specifiedmaximum

for

an

eventy

管理者或作業系統介入(如發生deadlock)、輸出入失敗(I/O

failure)不合法指令(Invalid

instruction)、特權指令(Privileged

instructi資料誤用、parent

process要求、parent

process終止。五狀態(five-state)處理程序模型8z

雙狀態模型不完備之處y

未執行狀態的process有兩種情形：(1)可以執行；(2)等待I/O動作的完成而被懸置(blocked)。y

分派程式必須掃描整個佇列，找出未被懸置且等待最久的process。z

擴充雙狀態模型成為五種狀態y

執行中(Running)y

未執行狀態再區分為：備妥(Ready)；懸置(Blocked)y

另為方便管理process，新增二種狀態：y

新建(New)：剛被系統建立，尚未允許進入執行區。(尚未載入主記憶體，僅建立表格)y

離開(Exit)：因停止或取消，被系統由執行區離開。(釋放佔用的主記憶體，但保留相關表格)五狀態處理程序模型(續)9Figure

3.6

ProcessStates

for

Trace

of

Figure

3.310z圖3.7(a)有兩個佇列：備妥佇列與懸置佇列z圖3.7(b)對每一事件分別有一佇列Figure

3.7

QueuingModel

of

Figure3.511置換的需要The

need

for

swapping12z

在未使用虛擬記憶體的系統，每個process必須完全地載入記憶體中才能執行。z

由於處理器比I/O動作快太多，即使在多工環境下，處理器大部分時間仍處於閒置狀態。z

解決方法：容納更多的processy

擴充主記憶體：如此會增加成本。y置換(swapping)：將process的部分或全部由主記憶體移至磁碟上，本身也是I/O動作。z

使用置換，需增加新的狀態：暫停(suspend)y

當所有主記憶體中的process都處於懸置狀態時，系統可將某個

process暫停，❹置換至磁碟，其所佔據的主記憶體空間就可釋放出來給其他process使用。z

置換之後，選擇載入process的方法y

容許新process的產生。問題：將增加系統的負擔。y

載入一處於暫停狀態的process。問題：所有暫停process都是被懸置的process，即使載入也仍無法執行。13單一暫停狀態雙暫停狀態14z

有兩個獨立的概念：y

是否等待事件(懸置)、是否被置換

(暫停)z

2

*

2組合：共四種狀態：y

(1)備妥；(2)懸置；(3)懸置，暫停；(4)備妥，暫停。暫停的其他使用15z

暫停process的概念y

Process無法立即被執行。y

Process可能在等待某個事件。y

Process可被其他process或作業系統置於暫停狀態。y

Process不能離開這個狀態，直到讓它陷入暫停狀態的人解除為止。z

process暫停的原因y

置換：作業系統必須釋出主記憶體空間，以容許載入其他process。y

其他作業系統理由：作業系統可能會暫停背景、工具或產生問題的process。y

互動使用者要求：使用者希望暫停某一process。y

時間：如週期性執行的process。y

parent

process要求。3.2處理程序描述Process

Descriptionz

作業系統控制結構y作業系統要管理process與資源，必須擁有各process與資源目前狀態的資訊。y最簡單的方法：作業系統建立❹維護所管理實體的資訊表格，包括：記憶體、輸出入(I/O)、檔案、Process。Figure

3.9Processes

and

Resources

(resourceallocation

at

one

snapshot

in

time)16Figure

3.10

General

Structureof

Operating

System

ControlTables17Process的控制結構18z

Process的位置y

影像(image)：即Process的構成，包含：程式、資料、堆疊與屬性。

y

Process的image的位置:y

(a)連續的記憶體區塊;或y

(b)一系列不一定連續的區塊。區塊可為不同長度(區段,Segment)，或使用固定長度(頁,page)，或二者結合。z

Process的屬性y

Process控制區塊(Process

Control

Block)：所有屬性的集合。Process控制區塊19zProcess識別資訊(identification

information)：該proce別碼、parent

process的識別碼、使用者識別碼z

Process狀態資訊(state

information)：y

使用者可見暫存器；y

控制與狀態暫存器：Program

Counter,Program

Status

Word,…y

堆疊指標。z

Process控制資訊(control

information)：y

優先權、排班相關資訊、y

事件、結構資訊(process間的資料結構鏈結)、y

process間通訊(inter-process

communication)、process的權限、

y

記憶體管理、資源所有權與使用率。處理程序的屬性-Pentium

EFLAGS暫存器z

控制位元：y

ID識別碼：是否支援CPUID指令，該指令提供製造商、型號資訊。y

RF：繼續旗標(Resume

flag)。y

IOPL：輸出入特權層級(I/O

privilege

level)y

IF：中斷致能旗標(Interrupt

enable

flag)。y

TF：陷阱旗標(Trap

flag)，使所有指令的執行產生中斷，以用來偵錯。z

運作模式位元y

VM：虛擬8086模式(Virtual

8086

mode)。y

VIF(Virtual

interrupt

flag)：用於虛擬8086模式，取代中斷致能旗標(IF)z

狀況代碼y

CF：進位旗標(Carry

flag)。20Figure

3.12

User

Processes

in

Virtual

Memory21Figure

3.13

Process

List

Structures223.3處理程序控制23z

大部分處理器支援至少兩種執行模式y

較低特權的模式：稱使用者模式(user

mode)。y

較高特權的模式：稱系統模式(system

mode)、控制模式(controlmode)、或核心模式(kernel

mode)。y

理由：作業系統本身及其表格有保護的必要。z

執行模式的區別及改變y

程式狀態字組(Program

Status

Word,PSW)有一位元表示執行模式。y

VAX的改變模式指令(CHM)：使用者呼叫系統服務，或發生中斷控制轉移至系統常式時，常式就執行CHM指令﹔返回控制權給使用者process前，再執行一次CHM進入較低特權模式。z

Process的建立y

配置一process識別碼，在process表格中加入一新項目。y

分配空間，包含process影像(image)的所有元素。y

Process控制區塊(Process

Control

Block)的初始化。y

設定Process的鏈結、各種Process佇列、其他資料結構。處理程序切換(process

switch)24z

何時process切換？作業系統取得控制權的事件：y

中斷(Interrupt)：由外部發出，例如：I/O動作完成。時鐘中斷

(Timer

Interrupt)，輸出入中斷(I/O

Interrupt)，記憶體錯誤。y

陷阱(Trap)：與目前執行的指令相關，例如：非法存取檔案。Anerror

resulted

from

the

last

instruction.

It

may

cause

the

processmoved

to

the

Exit

state.y

監督者呼叫(Supervisor

Call)：程式明確要求，例如：開啟檔案。

explicit

request

by

the

program(ex:file

open).The

process

willprobably

be

blocked.z

中斷週期的模式切換(Mode

Switch)y

儲存目前執行中程式的序文(context)：PSW,PC,其他暫存器、堆疊。y

將程式計數器(PC)設至中斷處理器的位址。y

由使用者模式切換至核心模式，讓中斷處理程式可執行特權指令。處理程序切換(Process

Switch)(續)25z

模式切換(mode

switching)vs.處理程序切換(processswitching)y

(也有稱context

switch,但容易與thread切換混淆)

y

模式切換不會改變process從執行狀態至另一狀態。y在此情況下，序文(context)的儲存及之後的回存，額外的負擔較少。y

但執行中的Process被移至其他狀態，則必須做完整的process切換。z

Process切換的步驟：y

儲存處理器的序文，包括：程式計數器與其他暫存器。y

更新Process控制區塊：改變Process執行狀態至另一狀態。將

Process移至適當的佇列。y選擇另一Process來執行(課本第4部分討論)。更新選擇的Process的控制區塊。y

更新記憶體管理資料結構。y

回存處理器的序文到該Process被切換之前。作業系統的執行方式z

作業系統的特殊角色y

作業系統是電腦軟體，也就是處理器執行的程式。y

作業系統時常放棄控制，且依賴處理器允許它取回控制權。y

作業系統是個Process嗎？它如何控制？z

非Process核心(Non-process

Kernel)：y

常在舊作業系統見到的方法。y作業系統在所有Process外執行，是分開執行的實體，擁有特權模式。y

所謂Process即為User

Process。Figure

3.14

(a)Separate

kernel26z

將整個作業系統視為User

Process的內容z

作業系統是常式的集合，讓使用者呼叫來執行各種功能z

在User

Process的環境中執行。z當中斷、陷阱或管理者呼叫發生，處理器就進入核心模式，❹將控制權交給作業系統。z❹未做處理程序切換，只進行了模式切換。作業系統碼以共享的方式，被User

Process所執行。與User

Process一起執行Figure

3.14

(b)OS

functionsexecute

within

userprocesses27與User

Process一起執行(續)28z

在核心模式時，使用分開的核心堆疊(kernel

stack)管理呼叫/返回。z

作業系統在共享的位址區域，可被所有User

Process共享Figure

3.15

Process

Image:

OperatingSystem

Executes

Within

User

Space處理程序為基礎的作業系統

Process-based

Operating

Systemz

將作業系統視為許多Process的集合y

主要的核心函數組織成分離的Processz

優點：y

模組化的設計。y

採Process設計，各函數可以設定不同的優先權執行，❹與其他

Process交錯執行。y對多處理器或分散式系統而言，可將作業系統服務移至其他處理器上執行，來提昇效率。Figure

3.14

(c)

OS

functions

execute

as

separate

processes293.4

Unix

SVR4

Process管理30z

大部分Unix作業系統的功能，都在User

Process的環境下執行。(圖3.14(b)的模式)z

使用兩種類型的Processy

System

Process:核心模式下執行，例如：配置記憶體、置換

Process。y

User

Process:

(1)

run

in

user

mode

for

user

programs;

(2)

run

in

kemodes

for

system

calls,

traps,

and

interrupts.z

Process狀態：共9種狀態，類似之前的7狀態轉移圖。y

Created=New;Zombie(僵屍)=Exit；…。y

執行中(Running)分為:[User

Running],[Kernel

Running]，表示在使用者模式或核心模式內執行。y

區分備妥[Ready

to

Run

in

Memory]及被先佔[Preempted]:二者本質上相同，只是區別進入此狀態的途徑，二者也放在同一佇列上。y

先佔動作(Preemption)只發生在Process由kernel轉移至user

mode時。使得Unix不適於即時處理(Real-time

processing)。Figure

3.16

UNIX

Process

State

Transition

Diagram31Unix

System

Processes32z

Process

0是在系統啟動時(boot

time)建立的特殊process，y

預先定義成一個啟動時載入的資料結構。y

稱為置換者處理程序(“swapper

process”)。z

Process

0

fork

process

1

(the

init

process)z

所有系統中的process都是Process

1的child

process。y

當使用者登錄系統，Process

1建立一User

Process給該使用者。Unix處理程序影像(Process

Image)33z

使用者階層序文(User-level

context)y

Process本文(Text)：程式的可執行機器指令(code:read-only)y

Process資料(Data)y

使用者堆疊(User

Stack)：calls/returns

in

user

modey共享記憶體(Shared

memory)：用於行程間通訊(IPC)。只有一份實體，但藉由虛擬記憶體