控制流:处理器从开机到关机只做一件事:读取和执行一系列指令,这些指令就叫CPU的控制流.

异常控制流(ECF:Exceptional Control Flow) Link to 异常控制流(ECF:Exceptional Control Flow)

ECF存在于计算机系统的所有层次

• 底层机制
  • 1. 异常:由系统状态改变引发,由硬件和操作系统软件共同实现.
• 高层机制
  • 2. 上下文切换
  • 3. 信号
  • 4. 非局部跳转

异常(Exception) Link to 异常(Exception)

异常是将控制权交给操作系统内核,作为对某些事件的回应. 内核是操作系统始终驻留在内存中的部分. 事件如:除以0/算术溢出/页错误/IO请求完成/Ctrl+C.

异常表 Link to 异常表

每种异常事件都有一个异常码,当异常事件k发生时,硬件使用k作为异常表的索引,然后跳转到处理该异常的程序的地址处.

异步异常(中断) Link to 异步异常(中断)

由处理器外部设备引发.通过在处理器上设置引脚,向处理器通知这些状态的变化.发生中断后,处理器返回到下一条指令. 例如:

• 计时器中断 系统有一个内置计时器,每隔几毫秒就中断一次. 内核用这个机制再次取得对用户程序的控制权.
• I/O中断 Ctrl+C/收到网络包/收到磁盘数据

同步异常 Link to 同步异常

由以下三种引发:

• 陷阱(Traps) 程序故意引发的.如系统调用.返回到下一条指令
• 错误(Faults) 非故意但可能可以恢复.如页错误
• 终止(Aborts) 非故意且不可恢复

系统调用 Link to 系统调用

每一个x86-64系统调用都有一个独一无二的ID,如:

调用 open(filename, options):

1
2
3
4
5
6
7

00000000000e5d70 <__open>: 
... 
e5d79: b8 02 00 00 00        mov $0x2,%eax # open is syscall #2 
e5d7e: 0f 05                 syscall       # Return value in %rax 
e5d80: 48 3d 01 f0 ff ff     cmp $0xfffffffffffff001,%rax 
... 
e5dfa: c3                    retq

%rax包含调用ID;如果open出错,会返回负数的errno,执行对应的错误处理.

页错误 Link to 页错误

磁盘上的一个可执行文件可能很大,根据局部性原理,只有一部分加载到内存中,当执行涉及的内存区域没有被加载过来时就会发生页缺失异常.这时候需要去硬盘中把这部分内存加载进来.

无效内存引用 Link to 无效内存引用

内核向用户进程发送SIGSEGV信号,用户进程segmentation fault 退出.

进程(Process) Link to 进程(Process)

进程是一个正在运行的程序的实例. 进程的两个关键抽象:

• 逻辑控制流 每个进程似乎独占CPU:不用担心别的程序会修改寄存器,也无法分辨系统中有其他进程正在运行.
• 私有地址空间 虚拟内存机制提供,每个进程似乎独占内存:都有内存空间,也不能看到其他进程正在使用的内存. 即使在单核系统上,这些进程实际上是在同一时间并发运行 (我的1vCPU服务器,top界面出现了2 running) 操作系统如何实现多进程调度?

1. 单核系统 单核处理器 并发(concurrently) 处理多个进程 当异常发生时,操作系统可以决定是否要运行另一个进程 进程切换时,将寄存器的值复制到内存中保存,然后调度到下一个待执行的进程 它将加载上次保存的寄存器的值,地址空间也将切换. **上下文切换(context switch)**就是寄存器和地址空间的切换.
2. 多核系统 每个核处理一个进程,也会发生上下文切换.

• 并发,顺序,并行 并发(concurrent) : A&B,A&C; 顺序(sequential) : B&C A&B,A&C 并行(parallel)
• 上下文切换 每个进程都是一个逻辑控制流.内核管理进程,通过上下文切换,控制流从一个进程切换到另一个进程.

进程控制(Process Control) Link to 进程控制(Process Control)

系统调用的错误处理 Link to 系统调用的错误处理

Linux系统层面函数一旦发生错误,经常返回-1,并且设置全局变量errno的值来指示原因.返回指针(句柄)的函数发生错误返回空指针. 为了安全,在调用系统函数时,必须检查返回值.例如,我们可以将fork函数包装成:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14

void unix_error(char *msg){
	fprintf(stderr, "%s: %s\n", msg, strerror(errno));
	exit(0);
}
pid_t Fork(void){
	pid_t pid;
	if((pid = fork()) < 0)
		unix_error("Fork error");
	return pid;
}

pid = Fork();
pid_t getpid(void);     /*获取当前进程的PID */
pid_t getppid(void);    /* 获取父进程的PID */

创建/终止进程 Link to 创建/终止进程

进程处在以下三种状态之一:

1. 运行 进程正在被执行,或者等待执行并且后面会被内核调度.
2. 停止 暂停执行,并且在进一步通知之前不会调度.
3. 终止 永久停止

终止一个进程的三种方式:

1. 收到一个信号,默认是终止进程
2. 从main函数正常返回
3. 调用了exit函数

创建进程: Link to 创建进程:

父进程通过调用fork函数能创建一个子进程.子进程是父进程的副本. int fork(void)函数在子进程返回0,在父进程返回子进程的PID. 子进程和父进程并行执行,无法保证哪一个先执行.

这部分编程,我已经在网络编程中接触过了

通过进程图(Process Graph)来理解fork: 对于复杂的进程,可以画出进程图来分析,例如:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

void fork4()
{
	printf("L0\n");
	if(fork() != 0){
		printf("L1\n");
		if(fork() != 0)
			printf("L2\n");
	}
	printf("Bye\n");
}

的进程图:

回收fork进程 Link to 回收fork进程

僵尸进程:当程序终止后仍然占有系统资源 子进程不会自动回收,父进程可以使用wait或waitpid函数回收子进程,父进程得到子进程退出状态,内核删除僵尸子进程.

• **僵尸(Zombie)**进程的例子:
  1. 子进程退出了,父进程不退出

     C

     Copy to clipboard

     1
     2
     3
     4
     5
     6
     7
     8
     9
     10
     11

     void fork7() { 
     	if (fork() == 0) { 
     		/* Child */ 
     		printf("Terminating Child, PID = %d\n", getpid());
     		exit(0); 
     	} else { 
     		printf("Running Parent, PID = %d\n", getpid()); 
     		while (1) ; 
     		/* Infinite loop */ 
     	} 
     }
     

     kill父进程后,init进程回收子进程.
  2. 父进程退出了,子进程不退出 在父进程终止后,子进程依然在活跃.kill子进程后,子进程才终止. 可以看到,如果父进程不管管子进程的话,是可能会导致一些问题的.
• wait函数:暂停父进程直到一个子进程终止

  C

  Copy to clipboard

  1
  2

  int wait(int *child_status);
  /* 整数*child_status被设置为子进程退出状态码 */
  

• waitpid函数:暂停当前进程直到特定进程终止

加载/运行程序 Link to 加载/运行程序

要在进程内运行不同的程序,使用名为 exicve 的函数:

1

int execve(char *filename, char *argv[], char *envp[]);

通过调用 execve 函数,进程以全新程序替换当前运行的程序,将丢弃原程序,,堆栈/数据/代码都会被新程序替换只有PID保留.所以 execve永远不会返回,除非无法执行.

• 用例 在子进程中执行

  SHELL

  Copy to clipboard

  1

  /bin/ls -lt /usr/include
  

  参数为:

  C

  Copy to clipboard

  1
  2
  3
  4
  5
  6
  7

  if((pid = Fork())==0){
  	/* 子进程运行程序 */
  	if(execve(myargv[0], myargv, environ) < 0){
  		printf("%s: Command not found.\n", myargv[0]);
  		exit(1);
  	}	
  }