Lecture 4 Process Scheduling(进程调度)

1 进程切换

• 是什么触发了进程切换？
• 进程切换时要做什么？

中断技术

• 中断是指程序执行过程中
  • 当发生某个事件时，中止 CPU上现行程序的运行
  • 引出该事件的处理程序执行
  • 执行完毕返回原程序中断 点继续执行

中断源

• 外中断：来自处理器之外的硬件中断信号
  • 如时钟中断、键盘中断、外围设备中断
  • 外部中断均是异步中断
• 内中断（异常 Exception）：来自于处理器内部，指 令执行过程中发生的中断，属同步中断
  • 硬件异常：掉电、奇偶校验错误等
  • 程序异常：非法操作、地址越界、断点、除数为0
  • 系统调用

中断处理过程
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特权指令和非特权指令

• 特权指令
  • 只能在内核模式下运行的指令称作特权指令
  • I/O指令
  • 关闭所有中断
  • 设置计时器
  • 进程交换
• 非特权指令
  • 在用户模式下运行的指令称作非特权指令

模式切换



进程切换

• 切换时机
  • 进程需要进入等待状态
  • 进程被抢占CPU而进入就绪状态
• 切换过程
  • 保存被中断进程的上下文信息（Context)
  • 修改被中断进程的控制信息（如状态等）
  • 将被中断的进程加入相应的状态队列
  • 调度一个新的进程并恢复它的上下文信息
    

2 进程调度

进程控制块

进程在物理内存

进程队列

进程调度
进程在整个生命周期中会在各个调度队列中迁移， 由操作系统的一个调度器（scheduler）来执行。

3 创建进程的实验

1. 使用编辑器gedit新建一个helloProcess.c源文件，并输入后面的范例代码。

#include 
#include 
#include 

int main()
{
    //pid_t是数据类型，实际上是一个整型，通过typedef重新定义了一个名字，用于存储进程id
    pid_t pid,cid; 
    //getpid()函数返回当前进程的id号
    printf("Before fork Process id :%d\n", getpid());
    
    /*
    fork()函数用于创建一个新的进程，该进程为当前进程的子进程，创建的方法是：将当前进程的内存内容完整拷贝一份到内存的另一个区域，两个进程为父子关系，他们会同时（并发）执行fork()语句后面的所有语句。
    fork()的返回值：
      如果成功创建子进程，对于父子进程fork会返回不同的值，对于父进程它的返回值是子进程的进程id值，对于子进程它的返回值是0.
      如果创建失败，返回值为-1.
    */
    cid = fork(); 
    
    printf("After fork, Process id :%d\n", getpid());
  
    return 0;
}

保存退出gedit，使用gcc对源文件进行编译，然后运行，观察结果并解释原因。

出现这种现象的原因是创建子进程后，子进程会将当前进程内存内容完整拷贝到内存的另一个区域。

PPID就是指的它的父进程。

2. 通过判断fork的返回值让父子进程执行不同的语句。

#include 
#include 
#include 

int main()
{
    pid_t cid;
    printf("Before fork process id :%d\n", getpid());
    
    cid = fork();
    
   if(cid == 0){ //该分支是子进程执行的代码
   
       printf("Child process id (my parent pid is %d):%d\n", getppid(),getpid());
       for(int i=0; i<3 ; i++)
            printf("hello\n");
            
    }else{ //该分支是父进程执行的代码
    
        printf("Parent process id :%d\n", getpid());
        for(int i=0; i<3 ; i++)
            printf("world\n");
    }
    
    return 0;
}

执行结果：

将循环次数改成 3000，此时的执行结果为：

说明了子进程和父进程是并发的。
fork的工作流程。

3. 验证父子进程间的内存空间是相互独立的。在终端中进入自己的主目录，使用gedit命令新建一文件helloProcess2.c，输入下面的代码，然后编译运行。

#include 
#include 
#include 

int main()
{
    pid_t cid;
    int x = 100;
    
    cid = fork();
    
   if(cid == 0){ //该分支是子进程执行的代码
       x++;
       printf("In child: x=%d\n",x);
            
    }else{ //该分支是父进程执行的代码
       x++;  
       
       printf("In parent: x=%d\n",x);
       
    }
    
    return 0;
}

说明了子进程和父进程是相互独立的。
在上一步的代码的20行添加如下语句，同时代码最顶端要包含一个新的头文件.

#include
wait(NULL);

wait函数会让调用者陷入等待，直到子进程的状态变为可用（即子进程结束前父进程一直处于等待状态）。
为了让效果更清楚，请将wait语句从20行移到18行，并在15行加上如下语句：

sleep(3);

sleep该函数可以让调用进程睡上指定的时间长度（单位是second）。
重新编译代码运行，我们特意让子进程输出完毕后睡了3秒，在这期间父进程什么事也没有做一直在wait，直到子进程结束后父进程才执行return 0语句。