作業系統之程序與程序控制
一、程序概念
引子 程式執行在併發環境中的問題
（1）執行過程不確定
（2）結果不可再現
1.程序定義
程序是程式在某個資料集合上的一次執行活動。資料集合是指軟硬體環境，多個程序共存或共享的環境。
2.程序的特徵
（1）動態性
程序是程式的一次執行過程，動態產生且動態消亡；
（2）併發性
程序同其他程序一起向前推進；
（3）非同步性
程序按照各自的速度向前推進（每一個程序按照自定邏輯，不考慮其他程序的執行，各自佔用CPU）；
（4）獨立性
程序是系統分配資源和排程CPU的單位（但是有了執行緒後，作業系統排程CPU的單位就變成了執行緒）。
3.程序與程式的區別
（1）程序是動態的：程式的一次執行過程；
（2）程式是靜態的：一組指令的有序集合；
（3）程序是暫存的：在記憶體中短期駐留；
（4）程式是長存的：可以在儲存介質上長期儲存；
（5）一個程式可能有多個程序。
4.程序的分類
（1）按照使用資源的許可權進行分類
①系統程序：系統核心相關的程序；
②使用者程序：運行於使用者態的程序。
（2）按照對CPU的依賴性進行分類
①CPU型程序：主要用於計算；
②I/O型程序：主要用於I/O操作。
二、程序狀態
1.程序的狀態
（1）執行狀態（Running）
程序已經佔用CPU，在CPU上執行。
（2）就緒狀態（Ready）
具備執行條件但是由於沒有CPU可用，所以暫時不能執行。
（3）阻塞狀態（Block）也叫等待狀態（Wait）
由於等待某項服務完成或者等待某個訊號而不能執行的狀態，比如等待系統呼叫，I/O操作等等。
2.程序的三態模型
（1）就緒->執行：程序排程；
（2）執行->就緒：時間片到或者被強佔；
（3）執行->阻塞：請求服務後等待響應，或者等待某個訊號的到來；
（4）阻塞->就緒：請求的服務已經完成，或者等待的訊號已經到來。
3.程序的五態模型
（1）新建狀態
使用者向系統提交程式後，在程序建立之前的過程。
（2）終止狀態
程序撤出系統的過程。
4.Linux中的狀態定義
（1）可執行態
①就緒：在就緒佇列中等待排程；
②執行：正在執行。
（2）阻塞（等待）態
①淺度（可中斷）阻塞：能被其他程序的訊號或者時鐘喚醒；
②深度（不可中斷）阻塞：不能被其他程序通過訊號和時鐘喚醒，一般是用來請求檔案服務，I/O服務，系統服務。
（3）僵死態
程序終止執行，釋放大部分資源。
（4）掛起態
程序被掛起，暫停。可用於除錯程序。
三、程序控制塊（Process Control Block，PCB）
1.程序控制塊的定義
（1）描述程序狀態、資源、與相關程序關係的資料結構；
（2）PCB是程序的標誌。對於作業系統來說，它通過PCB來感知和管理程序；
（3）程序建立時會建立PCB，程序撤出時會銷燬PCB。
2.PCB中的基本成員
（1）name（ID）：程序名稱（識別符號，0~32768的正整數）；
（2）status：狀態；
（3）next_pcb：指向下一個PCB的指標；
（4）start_addr：程式地址；
（5）p_priority：優先順序；
（6）cpu status：現場保留區（堆疊）；
（7）comminfo：程序通訊；
（8）processfamily：家族；
（9）own resource：資源。
不同的作業系統PCB成員會有所區別，但是一些基本成員都是相同的，可能只是命名上的區別而已。程序控制塊應包含以下三類資訊：標識資訊、現場資訊、控制資訊。
3.Linux中的程序控制塊
Linux的程序控制塊一般包含如下資訊：
（1）程序狀態；
（2）排程資訊；
（3）識別符號；
（4）內部程序通訊資訊；
（5）連結資訊；
（6）時間和計時器；
（7）檔案系統；
（8）虛擬記憶體資訊；
（9）處理器資訊。
4.程序的切換
（1）程序的上下文
Context，指程序執行環境，CPU環境（比如各個暫存器的取值）等等。程序的上下文由三部分組成：使用者級上下文（程式、資料、共享儲存區、使用者棧，它們佔用程序的虛擬地址空間）、暫存器上下文（由各個暫存器組成）、系統級上下文（PCB、核心棧等）。
（2）程序切換過程
①程序被從堆疊排程到CPU執行；
②程序被從CPU排程到堆疊暫停執行。
四、程序控制的概念
1.程序控制的概念
在程序生存期間，對其全部行為的控制。典型的控制行為有建立程序、阻塞程序、喚醒程序、撤銷程序。
2.程序控制行為之一——程序建立
（1）功能
建立一個具有指定標識的程序。
（2）引數
程序標識、優先順序、程序起始地址、CPU初始狀態、資源需求等等。
（3）建立程序的過程
①建立一個空白PCB；
②獲得並賦予程序識別符號ID；
③為程序分配空間；
④初始化PCB；
⑤把程序插入到相應的程序佇列，一般放到就緒佇列中。
3.程序控制行為之二——程序撤銷
（1）功能
撤銷一個指定的程序，收回程序所佔用的資源，撤銷該程序的PCB。
（2）程序撤銷的時機/時間
①正常結束；
②異常結束；
③外界因素。
（3）引數
被撤銷的程序名（ID）。
（4）程序撤銷的過程
①在PCB佇列中找到要撤銷程序的PCB；
②獲取該程序的狀態；
③若該程序處於執行態，則立即終止該程序（先檢查該程序是否有子程序，若有子程序，則先撤銷子程序，遞迴執行此操作）；
④釋放程序佔有的資源；
⑤將程序的PCB從PCB佇列中移除。
4.程序控制行為之三——程序阻塞
（1）功能
阻塞程序的執行。
（2）阻塞的時機/事件
①請求系統服務：作業系統不能立即滿足程序的請求，導致程序不能滿足執行條件；
②啟動某種操作：程序啟動某操作，阻塞等待該操作完成（比如進行I/O操作）；
③新資料尚未到達：該程序要獲得另外一個程序的中間結果，該程序需要等待另一個程序運算結束；
④程序正常結束：程序完成任務後，自我阻塞，等待新任務到達。
（3）引數
阻塞原因。
（4）程序阻塞的實現
①停止執行；
②將PCB“執行態”改為“阻塞態”；
③出入相應原因的阻塞佇列；
④轉到排程程式（把系統控制權交給排程模組）。
5.程序控制行為之四——程序喚醒
（1）功能
喚醒處於阻塞佇列中的某個程序。
（2）引起喚醒的時機/事件
①系統服務滿足程序要求；
②I/O事件完成；
③新資料到達；
④程序向系統或I/O提出新請求（服務）。
（3）引數
程序ID。
6.程序控制原語
由若干指令構成的具有特定功能的函式，具有原子性，其操作不可分割。以上四種程序控制行為（建立、撤銷、阻塞、喚醒）都被封裝為原語，以保證其執行的完整性。
五、Linux下的程序控制
1.建立程序
建立程序的函式原型是pid_t fork(void);
pid_t是一個整數型別，即fork()函式會返回新程序的ID號（0~32768的整數）。
例如：pid_t pid = fork();
注意：
（1）新程序是當前程序的子程序。
（2）父程序和子程序
①父程序：fork()的呼叫者；
②子程序：新建的程序。
（3）子程序是父程序的複製（相同的程式碼，相同的資料，相同的堆疊），除了ID號和時間資訊外，兩者完全相同。
（4）子程序和父程序可以併發執行。
請問下面的程式會輸出什麼結果？
//檔名為test.c
int main(void)
{
fork();
printf("Hello World!\n");
return 0;
}
答案：
一個是子程序輸出的，一個是父程序輸出的。
請問下面的程式會輸出什麼結果？
//檔名為fork_2.c
int main(void)
{
pid_t pid;
pid = fork();
if(pid == 0)
{
printf("pid == 0\n");
}
else
{
printf("pid != 0\n");
}
return 0;
}
答案：
為什麼if和else兩個分支都被執行了呢？
因為fork()函式執行後，建立了一個新的程序，子程序是父程序的複製，所以相同的程式碼會執行兩次。在子程序中fork()函式會返回0，在父程序中，fork()函式會返回子程序的id號。所以在子程序中，會執行if分支，在父程序中，會執行else分支。但誰先誰後不確定。
2.fork()函式的執行步驟
由於子程序是父程序的複製，所以子程序中也會有建立子程序的語句，如果不加以限制，就會形成遞迴建立，但實際上並不是這樣的。
實際流程是：父程序建立了子程序後，子程序中“建立程序”語句及其前面的語句都不再執行。併發執行的是fork（）語句後的語句。
在linux的原始碼中我們可以找到fork函式：
//linux核心中的fork函式 ... copy_files(clone_flags,p);//克隆檔案 copy_fs(clone_flags,p);//克隆檔案系統 copy_mm(clone_flags,p);//克隆記憶體資訊 ...
我們可以看到有三條語句，用於拷貝程序的所有資訊，這也解釋了為什麼說子程序是父程序的複製。
3.子程序如何執行與父程序不同的功能。
Linux中 ，init程序（初始化程序）是所有其他程序的父程序，那麼是不是就說所有的程序都執行與init程序相同的功能呢？並不是。Linux中某些子程序和父程序的執行並不是完全相同的。它是如何做到的呢？這是因為exec函式簇的存在，它是若干函式的集合。其功能是讓子程序具有和父程序完全不同的新功能。