操作系统（第四周第二堂）-编程知识

回顾

进程运行

进程的创建

进程的工作

举例

进程的删除

举例1（走到return 0结束）

举例2（利用exit（1）结束）

进程通信

共享内存

生产者算法

消费者算法

消息传递

定义

算法实现

总结

回顾

上文的重点就两个内容：一、进程调度的理解；二、队列图以及调度程序

其中进程调度的理解有：一、进程本身角度调度理解；二、计算机整体角度理解进程管理和调度

队列图共有五个队列：I/O队列、中断队列、就绪队列、时间片过期队列、创建子进程队列

调度程序：长期调度程序、短期调度程序

进程运行

研究完进程调度，现在我们来研究进程的运行，研究进程运行前要先看进程是如何创建、删除的

一个进程的一生包括：创建、工作、被调度、删除

进程的创建

所有进程（除了Pid=0的初始进程）都是由父进程创建产生

定义：创建进程称为父进程，被创建进程称为子进程

每一个进程都采用进程标识符来唯一确定进程，子进程和父进程得pid不同

进程创建必备的两个指令：fork()、exec()

fork():

一、创建子进程，子进程和父进程完全相同（虚拟地址也相同，但是物理空间实际地址不同）。完全相同也意味着父进程fork后的程序计数器为fork函数结束位置，而子进程的程序计数器也为fork函数结束位置

二、在父进程中返回子进程的pid，在子进程中返回0

三、创建子进程也意味着要在内核中新建PCB（进程控制块）

exec():

一、以新程序来取代原进程的内存空间，包括程序、栈等进程所有的成分

二、exec后子进程就有了新的虚拟地址空间，可以认为“脱离”父进程的限制

三、exec后子进程的PID保持不变

进程的工作

进程是并行工作的，即子进程被父进程创建后和父进程一起工作（父进程利用wait（NULL）除外，该方法让父进程在子进程结束后才工作）

举例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>// 测试创建子进程函数 pid_t fork();
int main()
{pid_t pid = fork();if(-1 == pid){//创建子进程失败return -1;}if(0 == pid){//子进程printf("I am child, my fork:%d\n", pid);printf("I am child, my pid：%d, ppid：%d\n",getpid(),getppid());sleep(5);printf("I am child, I have finished\n");  }else{//父进程 printf("I am father, my fork:%d\n", pid);      printf("I am father, my pid：%d, ppid：%d\n",getpid(),getppid());sleep(5);printf("I am father, I have finished\n");   }return 0;
}

执行结果为：

程序运行的关键点：

1、父进程先运行：由于子进程由fork函数创建，所以需要耗费一些时间。

2、父子进程并行运行：父进程利用sleep函数休息时，可以看到子进程也输出了其值，说明父子进程目前共同在运行

3、fork返回值：父进程的fork返回值为子进程的pid，子进程的fork返回值为0

4、pid是进程标识符：子进程和父进程的pid的值不同

进程的删除

进程的删除主要有两种：

1、进程走到return 0 自己结束

2、进程调用exit（1）结束

举例1（走到return 0结束）

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>// 测试创建子进程函数 pid_t fork();
int main()
{pid_t pid = fork();if(-1 == pid){//创建子进程失败return -1;}if(0 == pid){//子进程printf("I am child, my fork:%d\n", pid);printf("I am child, my pid：%d, ppid：%d\n",getpid(),getppid());sleep(5);printf("I am child, I have finished\n");  }else{//父进程 wait(NULL) printf("I am father, my fork:%d\n", pid);      printf("I am father, my pid：%d, ppid：%d\n",getpid(),getppid());sleep(5);printf("I am father, I have finished\n");   }printf("%d 号进程已结束\n",pid);return 0;
}

结果为：

关键点：在父进程中调用wait（NULL）函数让父进程在子进程结束后才开始运行

举例2（利用exit（1）结束）

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <stdlib.h>// 测试创建子进程函数 pid_t fork();
int main()
{pid_t pid = fork();if(-1 == pid){//创建子进程失败return -1;}if(0 == pid){//子进程printf("I am child, my fork:%d\n", pid);printf("I am child, my pid：%d, ppid：%d\n",getpid(),getppid());sleep(5);printf("I am child, I have finished\n");exit(1);  }else{//父进程 wait(NULL) printf("I am father, my fork:%d\n", pid);      printf("I am father, my pid：%d, ppid：%d\n",getpid(),getppid());sleep(5);printf("I am father, I have finished\n");   }printf("%d 号进程已结束\n",pid);return 0;
}

执行结果为：

关键点：子进程运行到exit函数后就自己删除自己，父进程开始运行

进程通信

操作系统内并发执行的进程可以是独立的也可以是协作的，协作完成的进程就涉及到进程间通信

进程通信主要有两种方式：1、共享内存 2、消息传递

图中关键点：

1、共享内存没有内核参与，消息传递需要内核参与

2、共享内存速度快于消息传递，但是共享内存要避免内存冲突。在多处理器系统上，共享内存有高速缓存一致性的问题

共享内存

共享内存实现通信一定要面临一种情况：其中一个进程是消息的发送者，另一个进程是消息的接收者。

这样我们必须要设计算法保证：消息接受者知道消息发送者何时发送

生产者算法

while(true){while(((in+1)%BUFFER_SIZE)==out); //共享内存满了，就不能生产等待消费者进程拿buffer[in]=next_produced;in=(in+1))%BUFFER_SIZE
}

消费者算法

item next_consumed;
while(true){while(in==out);//此时共享内存是空的，无法拿东西next_comsumed=buffer[out];out=(out+1)%BUFFER_SIZE;

算法关键点：

1、缓冲区最大值为BUFFER_SIZE-1（人为设定）

2、in+1==out设定为满，in==out设定为空

3、如果想要缓冲区最大值为BUFFER_SIZE，需要另设一个标志数用来记录缓冲区是满的还是空的。否则满的和空的都是in==out成立则无法区分

4、本质就是双指针实现，如上图所示