Unix程序和執行緒管理

一，程序

1，什麼是程序

在最初的單處理器系統中，系統中的多道程式按照一定規則切換而實現多工處理，後來發現多個程式併發導致系統資源被共享，為了描述和管理程式對共享資源的使用情況，就提出了程序的概念。所以可以知道程序就是系統分配和管理資源的單位，打個不恰當的比喻，可以把系統比作老闆，員工比作程序，老闆發工資是按人頭髮的，計算的是每個人應得多少錢。

程序的定義眾說紛紜，但含義基本類似，我看過一本說上給的定義是：程序是一個具有一定獨立功能的程式或程式段在一組資料集合上的一次動態執行過程。

2，程序的描述

程序具有動態性，獨立性，併發性等特徵。程序中含有執行任務的程式、程序執行中表現的各種狀態、程式執行中使用的資料及在某一時間點上各個暫存器中保留的資訊。

為了便於程序的管理，在作業系統內部要建立程序的資料描述資訊，程序的描述資訊和程序實體構成了程式的結構，其中包括：

• 1）程序控制塊（PCB）

  PCB中包括了程序描述資訊、控制資訊、程序使用資源情況、處理器現場保護結構等。

  PCB是程序動態特徵的集中體現，作業系統是從程序PCB的資訊感知程序的存在的，所以一個程序的PCB是常駐記憶體的，後兩部分在程序未被排程時會儲存在外存中。

• 2）程式段

  包含了程序的程式程式碼。

• 3）資料結構集

  是程序執行時要訪問的工作區和資料物件。

3，程序控制的基本概念

• 1）原語

  原語是完成特定功能的程式段，其執行具有不可分割、不可間斷、不可併發等原子特性。作業系統中包括如程序建立、程序撤銷、程序阻塞、程序喚醒等原語。

• 2）臨界區

  是指在共享某個資源時不予許程序交叉執行的一段程式，具有這種特性的資源稱為臨界資源。

• 3）程序互斥

  即某個共享資源不允許多個程序交叉執行。

• 4）程序同步

  在一組併發程序中，由於直接制約關係而相互發送訊息、協同工作的過程稱為程序同步。

• 5）訊號量

  對臨界區中的共享資源設定的一種管理變數，該變數可以描述共享資源被使用和釋放的狀態。分為公有訊號量和私有訊號量，公有訊號量被所有併發程序共享，私有訊號量被多個相互制約的程序共享。

4，程序建立

使用系統呼叫fork()來完成，該函式呼叫失敗時返回-1，成功時在父程序中返回子程序的pid，在子程序中返回0。

這句話的意思不好理解，需要了解fork()函式的原理，fork()的原理就是把父程序的所有資源都複製一遍，並給複製出來的程序重新分配pid就是子程序了。並且複製出來的程序狀態（變數的值、程式碼執行到的位置。。。）也和父程序執行到fork()這個語句是一樣。所以fork()函式在父程序和子程序中都會返回一次。如果你在fork()後列印pid到螢幕會有兩個值，分別是兩個程序執行的結果。

程式碼如下：

int pid=fork();
printf("%d\n",&pid);

那麼這兩行程式碼的執行結果就可能是下面這樣的：

3198
0

fork系統呼叫完成的工作步驟如下

• 1）為子程序在程序表中分配一個空閒的proc結構
• 2）賦給子程序唯一的程序標識（pid）
• 3）複製父程序上下文的邏輯副本（這時對父程序中可用於共享的部分，如程序的正文段，並不是真正進行復制操作，而只是增加共享區的引用計數）
• 4）增加與父程序相關聯的檔案表和索引節點表的引用數
• 5）分別對父子程序返回pid（父程序返回大於0的整數，子程序返回0）

5，程序終止

通過系統呼叫exit()來終止正在執行的程序，這時程序會釋放其所佔有的資源，如開啟的所有檔案、釋放程序上下文佔用的記憶體等，但該程序的proc仍保留在記憶體中，直到下一輪排程來臨時才完成程序表項的調整。

• 孤兒程序

  是指父程序已終止，而子程序還未終止的程序。Unix系統中孤兒程序由1號程序（init程序）來收養，因此所有孤兒程序的父程序都是1號程序。還規定，所有成為孤兒程序的程序都會變成後臺程序。

• 僵死程序

  指已經完成任務等待父程序將其回收的程序，在Unix中由父程序使用wait()系統呼叫進行回收。

6，exec系統呼叫

前面說fork會複製父程序，即父子程序會執行同一份程式碼，當然你可以根據父子程序的fork返回值不同的特點有條件語句使父子程序執行不同的程式碼，但是Unix提供了更為直接和方便的方法。

當用戶呼叫exec系統呼叫後，作業系統會引數中指明的一個可執行程式的複本將呼叫程式的正文段和資料段進行覆蓋，然後使用提供的引數去執行這段新程式碼。

實驗

/*
cp.c檔案，功能是複製一個檔案，原始碼如下
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

int main(int argc,char *argv[]){

    int fd1,fd2,n;
    char buf[512];
    if(argc<=2){
        printf("ERR\n");exit(1);
    }

    fd1=open(argv[1],0);//read only
    fd2=creat(argv[2],0644);

    while((n=read(fd1,buf,512))>0) write(fd2,buf,n);

    close(fd1);
    close(fd2);

    return 0;
}

使用gcc -o cp cp命令編譯以上程式碼，得到可執行檔案cp，執行結果如下：

/*
exec.c檔案原始碼如下
*/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(){
    printf("One\n");
    
    //execl("/bin/ls","ls",NULL);
    execl("./cp","","a.c","aa.c",NULL);
    
    printf("Two\n");
    perror("err");
    return 0;
}

execl是exec的一種擴充套件形式，用法差不多，execl的第一個引數是可執行檔案的路徑，最後是一個字元指標陣列表示執行程式的環境，一般預設用0就行，中間的用來傳遞給可執行檔案的引數

執行結果：

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