(王道408考研操作系统)第二章进程管理-第一节3：进程控制（配合Linux讲解）
文章目錄
- 一：如何實現進程控制
- 二：進程控制原語
- （1）進程創建
- A：概述
- B：補充-Linux中的創建進程操作
- ①：fork()
- ②：fork()相關問題
- （2）進程終止
- A：概述
- B：補充-僵尸進程與孤兒進程
- ①：僵尸進程
- ②：孤兒進程
- （3）進程阻塞(Block)/等待(Wait)
- A：概述
- B：補充-Linux中的進程等待
- ①：為什么進程需要被等待/阻塞
- ②：進程阻塞式等待
- ③：進程非阻塞式等待
- （4）進程喚醒（Wake）
- （5）進程切換
進程控制是指對系統中所有進程實施有效的管理，它具有創建新進程、撤銷已有進程、實現進程狀態轉換等功能。可以簡單理解為實現進程狀態轉換
一：如何實現進程控制
還記的PCB嗎？ 對，就是它。在學校中學校如果想要對我們進行管理，依靠的就是你的綜測，在操作系統中要對進程進行控制依靠的就是PCB
在Linux的task struct結構體定義中（Linux是用C語言寫的）大家可以很明顯的看到一個字段叫做state
struct task_struct {volatile long state; /* -1 unrunnable, 0 runnable, >0 stopped */void *stack;atomic_t usage;unsigned int flags; /* per process flags, defined below */unsigned int ptrace;int lock_depth; /* BKL lock depth */#ifdef CONFIG_SMP #ifdef __ARCH_WANT_UNLOCKED_CTXSWint oncpu; #endif #endif ...... ..... ...既然這樣，操作系統在實現進程狀態控制時，就像記錄學生成績一樣，進行刪刪改改，修修補補即可（當然沒有這么簡單）
- 創建進程：需要初始化PCB、分配系統資源
- 創建態->就緒態：修改PCB內容和相應隊列
- 就緒態->運行態：恢復進程運行環境、修改PCB內容和相應隊列
- 運行態->終止態：回收進程擁有的資源，撤銷PCB
- 運行態->就緒態：(進程切換)需要保存進程運行環境、修改PCB內容和相應隊列
- 運行態->阻塞態：需要保存進程運行環境、修改PCB內容和相應隊列
- 阻塞態->就緒態：需要保存進程運行環境、修改PCB內容和相應隊列。如果等待的是資源，則還需要為進程分配系統資源
二：進程控制原語
原語就是指原子性操作。“要么做要么不做，如果做了你就做完”，這就是原子性操作的含義，不能出現模棱兩可的情況
進程控制是一個高度敏感的話題，如果出現控制方面的二義性問題話會導致一些不堪設想的后果，所以需要使用原語進行進程控制，采用“關中斷”“開中斷”實現原語操作，在執行期間不允許中斷
接下來的三種原語中，無論哪一個原語，它們所做的事情無外乎以下三種
（1）進程創建
A：概述
一個進程創建另一個進程，此時創建者稱為父進程，被創建的進程稱之為子進程
- 子進程可以繼承父進程所擁有的資源；子進程撤銷時，應將其從父進程哪里獲得的資源還給父進程
創建新進程的過程如下
可以引起進程創建的事件有
B：補充-Linux中的創建進程操作
上面所敘述的均是概述，并沒有針對特定的操作系統，因此這里以Linux為例，展示一下在Linux中創建進程等操作，加深同學們的理解。如果想要了解更多請移步：Linux系統編程10：進程入門之系統編程中最重要的概念之進程&&進程的相關操作&&使用fork創建進程
fork()函數是用來創建進程的，在fork函數執行后，如果成功創建新進程就會出現兩個進程，一個是子進程，一個是父進程，fork函數有兩個返回值
①：fork()
1：演示一：創建子進程
編寫如下C語言文件，進入主函數后，執行fork函數，創建進程
#include <stdio.h> #include <unistd.h>int main() {printf("執行到fork函數之前其進程為：%d，其父進程為：%d\n",getpid(),getppid()); sleep(1);fork();sleep(1);prinf("這個進程id為:%d,它的父進程id為%d\n",getpid(),getppid());sleep(1);return 0; }運行效果如下
根據上面程序的運行效果，似乎可以發現下面比較值得注意的幾點
2：演示二：創建子進程
前面說過，fork有兩個返回值。官方手冊中是這樣解釋到的
- 在父進程中，fork返回新創建子進程的ID
- 在子進程中，fork返回0
- 未能創建，fork返回負值
在子進程中，fork函數返回0，在父進程中，fork返回新創建子進程的ID。我們可以通過fork返回值判斷當前進程是什么進程。
根據以上描述，編寫C語言代碼，使用fork函數的返回值來進行分流
#include <stdio.h> #include <unistd.h>int main() {prinf("還沒有執行fork函數的本進程為：%d\n",getpid());pid_t=fork();//其返回值是pid類型的sleep(1);if(ret>0)//父進程返回的是子進程IDprintf("我是父進程，我的id是：%d,我的孩子id是%d\n",getpid(),ret);else if(ret==0)//子進程fork返回值是0printf("我是子進程，我的id是%d，我的父親id是%d\n",getpid(),getppid());elseprintf("進程創建失敗\n");sleep(1);return 0; }效果如下
3：演示三：一個大的問題
為了方便演示，修改上述代碼如下，為每個if語句塊內加入死循環，使其能不斷輸出
效果如下
同時再使用之前的命令查看這個進程，發現也是兩個進程
但是這里有一個很大的問題：我們知道，不論是哪種編程語言，if-else執行時每次只能執行一路，怎么可能同時執行多路，同時每個if語句塊內都有死循環，一個循環未結束，又怎么可能去執行其他語句呢
其實在Linux中，進程創建會形成鏈表，父進程創建子進程，那么父進程的進程指針會指向子進程ID。所以這兩個進程是同時運行的
②：fork()相關問題
1.如何理解進程創建
前面說過，操作系統在進行管理時，必然遵循“先描述，再組織”的原則，所以在進行進程管理時。首先會創建相應的task_struct，寫入有關信息，然后和你編寫好的代碼共同組成進程
2.為什么fork有兩個返回值
根據上面的描述，可以大致描述fork函數的執行邏輯如下
其實，進程數據=代碼+數據，代碼是共享的，數據是私有的，上述邏輯中return之前的語句是父進程執行，結果就是生成了子進程，等執行return語句時，子進程已經生成，于是父子進程同時執行這一條語句，又因為數據是私有的，所以各自返回不同的值
執行完fork之后，父進程pid不等于0，子進程pid等于0。這兩個進程都是獨立的，存在于不同地址中，不是公用的。
fork把進程當前的情況進行拷貝，執行fork時，fork只拷貝下一個要執行的代碼到新的進程
為了說明變量不共用，可以編寫一個C語言代碼如下，同一個變量分別在父進程和子進程中修改
#include <stdio.h> #include <unistd.h>int main() {int cout=0;printf("還未執行fork函數的cout=%d\n",cout);pid_t ret=fork();if(ret>0){cout+=1;//父進程cout=1；printf("父進程：cout=%d\n",cout);}else if(ret==0){cout+=10;//子進程cout=10；printf("子進程：cout=%d\n",cout);}else printf("失敗\n");sleep(1);return 0;}結果如下，可以發現它們不公用變量
3.為什么兩個返回值不一樣
其實很好理解，創建進程時相當于形成了鏈表（Linux）中，父進程指向子進程，所以返回的是子進程的ID，而子進程沒有它的子進程，所以返回0。
再者從現實生活中理解，一個孩子肯定知道它只有一個爹，而一個爹可能有多個孩子，所以子進程在標識父進程時就不要做那么多的區分，但是父進程可能有多個子進程，它與它在區分不同的子進程時必須要使用PID。
4.為什么代碼是共享的，數據是私有的
首先代碼是不可修改的（還記得代碼段，數據段嗎？），還有下面的常量字符串其實反映的也是這個道理
const char* str1="Hello World"; const char* str2="Hello World"; //str1和str2地址相同對于數據來說，如果數據不私有，造成的后果就是同一份數據在父子進程之間改來改去引起混亂
（2）進程終止
A：概述
操作系統終止進程的過程如下：
引起進程終止的事件主要有：
B：補充-僵尸進程與孤兒進程
上面所敘述的均是概述，并沒有針對特定的操作系統，因此這里以Linux為例，展示一下在Linux中由于進程終止而產生的一些現象，加深同學們的理解。如果想要了解更多請移步：Linux系統編程10：進程入門之系統編程中最重要的概念之進程&&進程的相關操作&&使用fork創建進程
①：僵尸進程
簡單點來說：僵尸進程就是子進程已經退出了，父進程還在運行當中，父進程沒有讀取到子進程的狀態，子進程就會進入僵尸狀態
使用下面的C語言程序模擬一個僵尸程序，子進程在10秒后利用exit退出，但是父進程一直在運行
#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h> int main() {// printf("還沒執行fork函數時的本進程為：%d\n",getpid());pid_t ret=fork();//其返回值類型是pid_t型的sleep(1);if(ret>0)//父進程返回的是子進程ID{while(1){printf("----------------------------------------------------\n");printf("父進程一直在運行\n");sleep(1);}}else if(ret==0)//子進程fork返回是0{int count=0;while(count<=10){printf("子進程已經運行了%d秒\n",count+=1);sleep(1);}exit(0);//讓子進程運行10s}elseprintf("進程創建失敗\n");sleep(1);return 0; }效果如下，可以發現，在10s后，子進程已經退出，父進程還在運行
根據上面的定義，當子進程先退出，父進程還在運行，由于讀取不到子進程的退出狀態，所以子進程會變為僵尸狀態。為了方便演示，使用下面的腳本，來每1s監控進程
while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep a.out | grep -v grep;sleep 1;echo "###########";done效果如下，可以發現當子進程結束后，父進程還是在運行，此時進程太變為Z，也就是僵尸狀態
那么為什么有僵尸進程呢？
其實道理也很簡單，子進程是由父進程創建的，父進程之所以要創建子進程，其目的就是要給子進程分配任務，那么在這個過程中，子進程平白無故的沒了，而父進程卻不知道子進程到底把自己交給它的任務完成的怎么樣，成功了還好，失敗的話就能再交代一個進程去操作。
所以進程結束時一定要給父進程返回一個狀態，父進程一直不讀取這個狀態的話，那么子進程就會一直卡在僵尸狀態，其中像代碼這些資源已經被釋放，但是這個進程卻沒有真正退出，因為PCB還在維護它，直到父進程讀取到它的狀態，才能進入死亡狀態
- 進程控制塊中，一個進程退出后，還有一個退出碼返回給父進程，如下是Linux內核中關于這部分的定義
- 在Linux中一行命令就是一個進程，那么這個命令的父進程是bash，那么命令在結束的一瞬間也會給bash返回一個狀態碼，bash作為父進程，就是依靠這個返回碼來判斷命令是否正常結束，如果狀態碼為某一個值即可判定為沒有這樣的命令。在Linux中可以用echo $?來查看上一個輸入命令的狀態返回碼，命令正確返回0，否則返回非0
②：孤兒進程
孤兒進程就是父進程沒了，子進程還在。那么根據上面的僵尸進程，子進程在退出后由于沒有父進程來讀取它的狀態，所以會一直卡在僵尸狀態，那么這樣就會存在一個問題，它的內存資源誰來回收，通俗點將就會造成 內存泄漏
修改上面的代碼，讓父進程先掛，如下
#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h> int main() {// printf("還沒執行fork函數時的本進程為：%d\n",getpid());pid_t ret=fork();//其返回值類型是pid_t型的sleep(1);if(ret>0)//父進程返回的是子進程ID{int cout=0;while(cout<10){printf("----------------------------------------------------\n");printf("父進程運行了%d秒\n",cout+=1);sleep(1);}exit(0);//讓父進程掛了}else if(ret==0)//子進程fork返回是0{int count=0;while(1){printf("子進程已經運行了%d秒\n",count+=1);sleep(1);}}elseprintf("進程創建失敗\n");sleep(1);return 0; }效果如下，這里還有一個現象就是，當父進程掛了之后，子進程一直在運行，并且ctrl+C，無法結束進程。這是因為ctrl+C此時結束的是父進程，但是父進程早已結束，子進程像孤兒一樣四處游蕩
除非使用killl才能將其殺掉
那么問題來了，這個進程難道一直要占用資源嗎，其實操作系統在設計的時候就考慮到了這一步。所以一旦父進程先掛了，那么這個子進程就會被1號進程領養
依然使用下面腳本進行觀察
while :; do ps axj | head -1 && ps axj | grep a.out | grep -v grep;sleep 1;echo "###########";done效果如下，可以發現，當父進程掛了，這個進程的ppid，也就是父進程更換為了1號進程
1號進程是什么呢，其實就是systemd
（3）進程阻塞(Block)/等待(Wait)
A：概述
進程阻塞執行過程如下
引起進程阻塞的事件有
B：補充-Linux中的進程等待
上面所敘述的均是概述，并沒有針對特定的操作系統，因此這里以Linux為例，展示一下Linux中的進程等待現象，加深同學們的理解。如果想要了解更多請移步：Linux系統編程17：進程控制之進程等待&&為什么進程需要被等待&wait方法和waitpid方法&&阻塞和非阻塞等待
①：為什么進程需要被等待/阻塞
前面的例子中說過，子進程退出后就變成了僵尸狀態，一旦變成僵尸狀態，這個子進程就如同僵尸一樣，殺也殺不死（因為它已經死了），所以它必須需要讓父進程讀取到它的狀態，回收子進程信息。只有這樣，子進程才能得到“救贖”，“魂魄”才能歸天，這屬于進程需要被等待的一個典型例子
②：進程阻塞式等待
在上面的僵尸進程的例子中，修改代碼子進程在10s后退出，父進程在10s后繼續運行，運行至第15s，跳出循環，加入語句wailt(NULL)以回收子進程
#include <stdio.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h> int main() {// printf("還沒執行fork函數時的本進程為：%d\n",getpid());pid_t ret=fork();//其返回值類型是pid_t型的sleep(1);if(ret>0)//父進程返回的是子進程ID{int count=1;while(count<=15){printf("----------------------------------------------------\n");printf("父進程運行了%d秒\n",count);count++;sleep(1);}wait(NULL);//回收子進程}else if(ret==0)//子進程fork返回是0{int count=1;while(count<=10){printf("子進程已經運行了%d秒\n",count);count++;sleep(1);}exit(0);//讓子進程運行10s}elseprintf("進程創建失敗\n");sleep(1);return 0; }如下可以發現，當父進程將子進程回收后，僵尸進程也消失了
如果父進程里只寫上wait(NULL)，那么就表示父進程阻塞在這里，等著子進程死亡，回收子進程
效果如下
③：進程非阻塞式等待
這一部分需要用到大量Linux基礎知識，如有興趣，可移步進行系統學：Linux系統編程17：進程控制之進程等待&&為什么進程需要被等待&wait方法和waitpid方法&&阻塞和非阻塞等待
（4）進程喚醒（Wake）
喚醒進程的執行過程如下
值得注意的是：Block和Wakeup作用剛好相反，必須成對使用。其中Block是由被阻塞進程自我調用實現的；Wakeup則是由一個與被喚醒進程合作或其他相關進程調用實現的
（5）進程切換
進程切換的過程如下
引起進程切換的事件有：
- 當前進程時間片已到
- 有更高優先級的進程到達
- 當前進程主動阻塞
- 當前進程終止
總結
以上是生活随笔為你收集整理的(王道408考研操作系统)第二章进程管理-第一节3：进程控制（配合Linux讲解）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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