processes(进程)¶

process is a unit of resource allocation and protection.And it is a program in execution.
进程是分配，线程是执行
process=code(text),data section(global variables),program counter,stack,heap；具体如图：

（注意栈是由高到低的；data和text段是ELF的映射）

对于同一个程序，如果运行两次，产生的2个进程中，stack，heap的大小和内容是不一样的（因为两个程序可能正在调用不同函数等），data段的大小一样但内容不一样（可能不同变量的值被修改），text段的大小，内容一样

PCB¶

process control block(PCB):information associated with each process
每一个进程只有一个PCB，在new阶段分配PCB，在termination阶段free PCB.
PCB储存了process number(pid),program counter,registers,process state,memory management等信息

Process State(重点)¶

new阶段¶

核心是两个syscall:folk和execv.

fork()¶

fork会创造一个新的进程。每个子进程只有一个父进程，并且他会有一个新的pid。子进程的内容是父进程的复制，并且所有的resource初始化为0

fork有两个返回值，fork会把子进程的pid返回给父进程，把0返回给子进程。另外，通过getpid()可以得到自己的pid，通过getppid()得到父进程的pid。

pid=fork();
if(pid==0){
    printf("这是子进程");
}else if(pid>0){
    printf("这是父进程");
}

注意，在fork()调用完成后，每个进程将会继续执行后续的语句，且每个进程内的变量互不干扰。

例子一：

pid1=fork();
printf("hello");
pid2=fork();
printf("hello");

第一次fork，进程由1个变成2个，然后输出两个hello；第二次fork，进程由2个变4个，然后输出4个hello。总共输出6个hello。

例子二：

fork();
if(fork()){
    fork();
}
fork();

第一次fork，进程由1个变2个，if判断条件的fork使进程由2变4，if语句内的fork只会对父进程执行，即2个父进程进行fork产生2个新进程。此时共有6个进程，最后执行的fork使进程由6到12个，最终一共产生12个进程。

pros and cons:fork的优点是简洁，不需调用复杂参数，保持进程与进程之间的联系；缺点是性能差且有安全性问题

execv()¶

execv会用新的进程映像来替代当前进程，此时当前进程会被清空。

int main(int argc,char* argv[]){
    pid_t pid=fork();
    if(pid==0){
        printf("1");
        execv("./callee",argc);
        printf("2");
    }else if(pid>0){
        printf("3");
    }
}

在上面的例子中，父进程会正确执行并输出“3”。但是execv的执行会清空子进程并进入“callee”进程，此时子进程已经被清空，所以只会输出“1”，不会输出“2”.

Terminations 阶段¶

进程可以通过exit()这个system call来终止。终止后该进程的resource会被OS重新分配。

一个进程也可以去终止其他进程：使用signals和kill()这个system call。

注意SIGKILL,SIGSTOP这两个signals不能被handle（出于安全的考虑）

wait() and waitpid()¶

wait()
block until any child complete
returns the pid of the completed child and the child's exit code
waitpid()
block until a specific child complete

zombie¶

当子进程终止时，有些东西没有被deallocated(释放)。其中stack,heap是被清空的，CPU不占用；但是PCB等未被清空，内存仍然占用。

为了避免出现zombie，需要parent调用wait()

Orphans（孤儿）¶

an orphan process is one whose parent has died
the orphan is "adopted" by the process with pid 1
Therefore，a orphan never become zombie

ready,running,wait¶

通过scheduling queues（数据结构是链表）来维护。分为ready queue和wait queues。wait queues有多个是因为wait target（比如I/O,disk等）有多个。

context switch¶

这里的context就是指寄存器
当CPU从一个进程转换为另一个进程时，context switch就会发生
context switch做的是储存旧的进程，然后载入新的进程
Context of a process represented in the PCB

汇编代码例子，¶

P0进程调用函数，储存P0，然后返回P1：

x0拿到prev的进程，x1拿到next的进程。x10是基地址。

栈的切换:mov x9,sp,储存P0进程的sp;mov sp,x9，拿回P1进程的sp;

储存P0:stp x19.x20,[x8],#16等，存储P0；

add x8,x1,x10切换到P1;

ldp x19,x20,[x8],#16等，存储P1;

代码的切换:str lr,[x8]和ldr lr,[x8]，然后通过ret切换。

Context Switch Scenarios¶

kernel mode：
when:cpu_switch_to
where:cpu_context
user mode:先通过kernel_entry进入kernel mode