【初探】作業系統之程序線程

• 日期：20160606
• 作者：i.sshe
• https://github.com/isshe

作業系統之程序線程

1. 問題清單

• 1.1 什麼是程序？什麼是線程？
• 1.2 程序的基本狀态及轉換？
• 1.3 程序控制塊（PCB）？
• 1.4 程序的運作模式有哪些?
• 1.5 程序間是如何通信的?
• 1.6 系統如何将一個信号通知給程序?
• 1.7 32/64位系統一個程序最多能擁有多少堆記憶體？
• 1.8 如何實作守護程序?
• 1.9 線程控制塊（TCB）?
• 1.10 線程有哪些狀态?
• 1.11 線程為什麼沒有挂起狀态?
• 1.12 什麼是使用者級線程?什麼是核心級線程?有何優缺點?
• 1.13 程序和線程的差別?
• 1.14 線程中可以建立線程嗎?
• 1.15 線程中可以建立程序嗎?
• 1.16 線程的同步機制有哪些？
• 1.17 什麼是僵屍程序？什麼是孤兒程序？

2016.11.1補充

* 1.18 fork後，子程序繼承父程序的什麼，父、子程序差別？

2. 拓展問題

• 2.1 什麼是上下文？上下文切換又是什麼？
• 2.2 堆和棧的差別?
• 2.3 試解釋作業系統原理中的作業、程序、線程、管程的定義？

3. 解答

3.1 什麼是程序？什麼是線程？

• 程序
  • 定義：一個執行中的程式的執行個體．
  • 是一個可擁有資源的獨立機關；
  • 是作業系統對一個正在運作的程式的抽象；
  • 是計算機科學中最重要最成功的一個概念；
  • 在一個系統上可以上可以同時運作多個程序；
• 線程
  • 排程和分派的基本機關；（隻有一些必要的資源，是以也稱為＂輕型程序＂）
  • 一個程序内可以建立多個線程；（每個線程都運作在程序的上下文中，并共享的代碼和全局資料）

3.2 程序的基本狀态及轉換？

• 三種基本狀态：
  • 就緒狀态（Ready）.　資源什麼的已經準備好了，隻要得到處理機就可進入執行狀态．
  • 執行狀态（Running）.
  • 阻塞狀态（Block）.　資源沒有得到滿足．
• 引入的狀态：
  • 建立狀态．
  • 終止狀态．
  • 挂起狀态.（下圖沒有畫進去）
• 狀态間的轉換：

  • 

3.3 程序控制塊（PCB）

• 程序控制塊:作業系統維護的一張程序表.
• 包含的一些字段:
  • 程序管理: 寄存器, 程式計數器,程式狀态字, 堆棧指針, 程序狀态, 優先級, 排程參數, 程序ID(唯一), 父程序, 程序組, 信号, 程序的開始時間, 使用的CPU時間, 子程序的CPU時間, 下次報警時間.
  • 存儲管理: 正文段指針, 資料段指針, 堆棧段指針.
  • 檔案管理: 根目錄, 工作目錄, 檔案描述符, 使用者ID, 組ID.

3.4 程序的運作模式有哪些?

• 

• 程序的工作模式有兩種: 核心模式(态)和使用者模式(态).
• 處理器通常通過模式位(mode bit)來設定程序運作模式,設定模式位的時候運作在核心模式, 否則運作在使用者模式.
• 使用者模式到核心模式的方法:
  • 中斷
  • 故障
  • 陷入系統調用
• 核心模式到使用者模式:
  • 處理程式運作在核心模式中,當它傳回到使用者程式代碼時,就會切換.

3.5 程序間是如何通信的?

• Linux支援的程序間通信機制包括:管道,信号,消息隊列,記憶體共享, 快速使用者空間互斥體（futex：fast userspace mutex)等。
• http://blog.csdn.net/i_scream_/article/details/51619428

3.6 系統如何将一個信号通知給程序?

• 信号是軟體中斷！
• 當系統檢測到某軟體條件（如SIGURG, SIGPIPE, SIGALRM等，因為是軟體中斷，是以是軟體條件）發生時，将其對應的信号通知給有關程序，并執行特定操作（注冊信号時指定的操作）。

3.7 32/64位系統中, 一個程序分别最多能擁有多少堆記憶體?

• 不懂。
• 網上一種說法是：32位系統中，最大堆記憶體約等于虛拟記憶體減1G;

3.8 如何實作守護程序?

• 程式設計規則：（unix環境進階程式設計P374）
  • 首先，調用umask将檔案模式建立屏蔽字設定為一個已知的值（通常是０）；
  • 調用fork()，再exit父程序；
  • 調用setsid建立一個新會話；
    • 這裡會發生三件事：
      • 程序成為新會話的首程序；
      • 程序成為新程序組的組長程序；
      • 程序沒有控制終端；
  • 将目前工作目錄更改為根目錄；（因為從父程序繼承過來的目錄可能在一個挂載的檔案系統中，如果不更改為根目錄，則所挂載的檔案系統不能解除安裝）
  • 關閉不需要的檔案描述符；
  • 某些守護程序打開/dev/null使其具有檔案描述符0, 1, 2。（守護程序不需要互動式輸入/輸出）

3.9 線程控制塊（TCB）

• 每個線程都有自己的線程控制塊(TCB),包括:
  • 線程ID(TID,唯一,整數)
  • 棧(如同非線程系統上的程序棧,主要存局部變量,參考…[此處有位址….])
  • 棧指針
  • 程式計數器
  • 通用目的計數器
  • 條件碼(即各種狀态标志)
• 所有運作在一個程序裡的線程共享整個虛拟位址空間.(代碼段開始虛拟位址為0x00400000[64bit], 0x08048000[32bit])
• 共享程序的代碼段,資料段.

3.10 線程有哪些狀态?

• 線程和程序都有三個基本狀态.且情況一樣.

3.11 線程為什麼沒有挂起狀态?

• 挂起: 将資源從記憶體移動到外存.
• 線程不擁有資源,不管理資源,是以它應有将整個程序或自己本身從主存移動到外存的權限.

3.12 什麼是使用者級線程?什麼是核心級線程?有何優缺點?

1). 使用者級線程(ULT)

• 由使用者應用程式建立,排程,管理, 作業系統不知道使用者級線程的存在.
• 優點:
  • 轉換的時空開銷比核心級線程小得多;
  • 線程的排程算法和作業系統的排程算法無關;
  • 适用于任何作業系統, 因為它與核心無關;
• 缺點:
  • 無法利用多處理器的優點, 每次隻有一個程序的一個線程在一個CPU上運作.

2). 核心級線程(KLT)

• 所有線程的建立,排程,管理都由作業系統核心負責.
• 優點
  • 核心可排程一個程序中的多個線程, 可利用多處理器的優點.(同時在多個處理器上運作,提高程式的執行速度和效率);
  • 當一個程序中的一個線程被阻塞,程序中的其他線程仍可執行;
  • 核心本身也可以以線程的方式實作;
• 缺點:
  • 線程切換時空開銷大:同一個程序中的線程切換需要兩次模式轉換(使用者态->核心态->使用者态),因為線程排程程式運作在核心态,使用者應用程式運作在使用者态.

3.13 程序和線程的差別?

• 排程:
  • 線程是排程和指派的基本機關; 程序是擁有資源的基本機關;
  • 同一程序中,線程切換不會引起程序切換; 不同程序中, 線程切換會引起程序切換.
• 擁有資源:
  • 線程不擁有系統資源,但可以通路隸屬程序的系統資源.
  • 程序擁有資源
• 并發性:
  • 線程具有更好的并發性
• 切換開銷:
  • 線程開銷更小,因為隻需儲存和設定少量寄存器的内容.
• 通信:
  • 同一程序内的多線程通信更容易實作,但也容易出錯.

3.14 線程中可以建立線程嗎?

• 可以。
• 當一個程式啟動時，就有一個程序被作業系統（OS）建立，與此同時一個線程也立刻運作，該線程通常叫做程式的主線程（Main Thread）。不知是否所有作業系統都适用？

3.15 線程中可以建立程序嗎?

• 可以。程式開始的時候就會建立一個主線程用于執行代碼。
• 如果線程中用exec系列的函數，則整個程序被替換。
• 如果線程用fork()，則可以。

3.16 線程的同步機制有哪些？

http://blog.csdn.net/i_scream_/article/details/51619428

3.17 什麼是僵屍程序？什麼是孤兒程序？

• 孤兒程序：一個父程序退出，而它的一個或多個子程序還在運作，那麼那些子程序将成為孤兒程序。孤兒程序将被init程序(程序号為1)所收養，并由init程序對它們完成狀态收集工作。
• 僵屍程序：一個程序使用fork建立子程序，如果子程序退出，而父程序并沒有調用wait或waitpid擷取子程序的狀态資訊，那麼子程序的程序描述符仍然儲存在系統中。這種程序稱之為僵屍程序。

3.18 fork後，子程序繼承父程序的什麼，父、子程序差別？

• APUE p185
• 繼承：
  • 讀寫鎖、條件變量、互斥量（這行自己加的、不知道該歸哪類）
  • 實際使用者ID、實際組ID、有效使用者ID、有效組ID。
  • 附屬組ID
  • 打開檔案
  • 會話ID
  • 控制終端
  • 設定使用者ID标志、設定組ID标志
  • 目前工作目錄
  • 根目錄
  • 檔案模式建立屏蔽字
  • 信号屏蔽和安排
  • 對任一打開檔案描述符的執行時關閉(close-on-exec)标志
  • 環境
  • 連接配接的共享存儲短
  • 存儲映像
  • 資源限制
• 父、子程序差別：
  • fork的傳回值不同
  • 程序ID不同
  • 子程序的tms_utime、tms_stime、tms_cutime和tms_ustime的值設定為0（8.17節）
  • 子程序不繼承父程序設定的檔案鎖。！！！
  • 子程序的未處理鬧鐘被清除。
  • 子程序的未處理信号集設定為空集。

4. 拓展解答

4.1 什麼是上下文？上下文切換又是什麼？

• 作業系統保持跟蹤程序運作所需的所有狀态資訊，這種狀态，稱為上下文．
• 無論是在單核還是多核系統中，一個CPU看上去像是在并發地執行多個程序，這是通過程序切換實作的．作業系統把這種交錯執行的機制稱為上下文切換．

4.2 堆和棧的差別

• 堆(從低位址往高低至增長): 所使用的局部變量還是在棧上，内容則在堆上．手動釋放或者程式結束時由作業系統釋放回收．
  • 由程式員配置設定管理[new/malloc/realloc/calloc]．
• 棧(從高位址往低位址增長): 局部變量／局部常量(const)[局部隻讀變量]／函數調用時傳回位址／調用者的環境資訊（例如某些機器寄存器）．
  • 由編譯器自動配置設定釋放管理．
• 關于C/C++程式運作時程序的記憶體分布情況

4.3 試解釋作業系統原理中的作業、程序、線程、管程的定義？

• 作業：使用者在一個事務處理過程中要求計算機系統所做的工作的集合。包括使用者程式、資料、控制指令等，作業是由一系列有序的步驟組成的。
• 程序：一個程式在一個資料集合上的一次運作過程。
• 線程：程序中的一個實體，是被系統獨立調用和執行的基本機關。
• 管程：一個資料結構+在該結構上能為并發程序所執行的一組操作，這組操作能同步程序和改變管程中的資料。

5. 零碎的概念/知識

• 排程: 核心可以決定搶占目前程序, 并重新開始一個先前被搶占的程序, 這種決定叫排程.由核心中呗稱為”排程器”的代碼完成.
• 父程序ID為０的各程序通常是核心程序（０代表核心），它們作為系統引導裝入過程的一部分啟動。
• linux中，程序和線程的執行效率是基本相當的。（程序隻比線程多了個COW（copy on write）的開銷）
• COW技術：寫時拷貝。子程序和父程序要更改記憶體頁面時，再拷貝一份給子程序，否則子程序和父程序共享資源。（也就是拷貝之前相當與線程！）

6. 參考資料

6.1 《深入了解計算機系統》

6.2 《計算機作業系統（第四版）》

6.3 《linux就是這個範》