PROCESS

本篇是进程第三篇，也是最后一篇，涉及的内容方面有些多，所以取了个名大杂烩。本篇主要就是来解决余下的一些问题：程序的加载，第一个进程的创建，进程的休眠唤醒，等待退出，还有锁同步的问题，最后还简单聊了聊运行库，废话不多说，一个一个来看。

加载程序

使用分身术()创建出来的进程执行的是与父进程相同的程序，通常不是咱们想要的，咱们想要的是子进程去执行不同的程序，这就需要学会另一门技能变身术()

负责磁盘上的文件程序装载到内存里面去，创建新的内存映像，这个过程说简单也简单，说复杂也复杂。因为 文件里面包括了可装载段的所有信息：比如这个段多大，要加载哪里去，都记录好了， 需要做的就是从磁盘读数据，然后将数据搬到对应位置。复杂就在于这个过程有些繁复，咱们一步步来看：

参数有两个： 为文件路径， 为指向字符串数组的指针

这一步就是解析路径然后取得该文件的 ，如果失败则返回，成功的话将该 上锁使用，同时 会使 的数据有效， 部分详见前文 inode、目录、路径

前 4 个字节分别是 0x7F, 'E', 'L', 'F'，如果一个文件前 4 个字节是这 4 个东东，说明它是一个 文件。

建立新页表的内核部分，原页表是旧进程的，这里创建一个新的属于自己的页表，也就是创建了一个新的虚拟地址空间。

接下来就是读取可装载段的数据，然后”搬”到新的地址空间。目前的虚拟地址空间就只映射了内核部分，用户部分没有映射到实际的物理内存，要把数据搬到用户部分，在这之前肯定得有一个分配物理内存，然后将用户部分的虚拟内存映射到分配的物理内存的过程，这就是 函数。

分配虚拟内存

在 指向的虚拟地址空间中，分配 大小的虚拟内存，返回 。分配虚拟内存就是上述所说的那两步：分配物理内存，填写页表项建立映射，来看具体实现：

整个流程就是我说的那两步，如果其中哪一步出错，就调用 函数将已分配的空间回收， 就完全是 的逆操作，释放回收空间之后清除页表项，这里就不再赘述。

因为程序在内存中的虚拟地址是从 0 开始的，所以 值不止是程序大小，也是程序末尾的地址，而 分配的虚拟内存就是接着当下程序的大小 开始分配的，所以 函数的作用如下图所示：

“搬运”数据

从磁盘搬运数据到内存就是对 函数的封装， 函数会根据文件 将数据读取到相应位置，有关 函数详见inode、目录、路径。

有了上述的了解之后，回到 函数：

这段代码就是装载程序的过程，有上述的铺垫之后整个流程应该是非常的清晰，如果不是，可能是对 文件不太熟悉，我在使用分身术变身术创建新进程讲述了一定的 文件，本文就不赘述了。只是提一个比较重要的点：，也就是一个段在磁盘上占据的空间大小是要小于装载到内存后的大小的，这是因为 节的存在， 存放未初始化的全局变量或初始化为 0 的全局变量，它不占据实际的磁盘空间，只是一个占位符，但是加载到内存时，也要为这些变量分配空间，所以

上述将程序从磁盘装载到内存，接着就应该为该进程分配资源准备运行环境了，

分配用户栈

首先将 向上取整，进程在内存中的映像各个段都是 对齐的，这里栈段也不例外，所以其实各个段之间并不是挨在一起的，如果不是刚好对齐，那么其间是有缝隙的。

调用 分配两页虚拟内存，“高页”作为栈，因为栈是向下扩展的所以"低页"作为保护页。所谓保护页就是将这页对应的页表项 属性位置 0，置 0 之后用户态就不能访问这个页。

将目前的程序大小赋值给 ， 就是未来用户栈的栈指针

准备参数

要运行的程序从 函数开始， 函数有两个参数：

• 是参数个数
• 一个指向字符串数组的指针

在这一部分我们需要将 函数的这两个参数以及 指向的那些字符串“搬运”到栈里面。因为 函数也是个函数，是函数就要遵循调用约定，将 需要的参数压栈，先来看看参数布局图：

搬运参数是个很有意思的事，它不像前面从磁盘搬运数据到内存，磁盘对于每个进程来说共享的，进程 A 将数据从磁盘搬运到 进程 B 的地址空间，没问题，一个 函数搞定。但是搬运参数不太一样，参数位于在进程 的地址空间，目的地在进程 的地址空间，两个空间独立不互通，没办法直接搬运。

咋个办？很自然的想法就是要找一个两者共享互通的地儿来中转，这个地方就是内核，将内核当作中转站，来看相关函数实现：

这个函数将用户部分的虚拟地址转化为内核虚拟地址，初看这句话是不是觉得挺荒谬？可事实的确如此，要理解这点，就要深入理解 内存的管理方式，再来看遍这张图：

内核部分(不是全部)映射到了物理内存的 ，用户部分映射到物理内存的空闲部分，所以物理内存的空闲部分既映射到了用户部分又映射到了内核部分。两个值相同的用户部分虚拟地址对应的物理地址是不同的，但是两个值相同的内核部分虚拟地址对应的物理地址确实相同的。

内核虚拟地址与物理地址之间就相差一个 ，所以内核虚拟地址转物理地址不需要查页表，减去 就是物理地址值。相反，物理地址加上 就是它在内核的虚拟地址

但是用户部分的虚拟地址没有直接对应关系，地址转换必须查页表，用户部分的虚拟地址转换成物理地址，之后再加上 就是转化到内核的虚拟地址了。上述函数就是做的这件事。

用户虚拟地址与内核虚拟地址转换之后就可以进行参数的搬运了，来看：

代码初看可能有些麻杂，这里举个例子，现下我要从进程 用户部分的地址 搬运 n 字节到进程 用户部分的地址 处，要做些什么呢？

1. 调用 将 转化为内核虚拟地址
2. 调用 从 搬运 n 字节到 处

看似将数据搬运到了内核 ，但是 又对应着 ，所以从逻辑上讲的确是将数据从 搬运到了

有了上述了解接着来看 函数：

这部分搬运字符串到新的用户空栈里面，是字符串，不是参数。栈指针向下移动，留出的空间放字符串，这部分空间首地址地址要满足 字节对齐，将地址记录在 中。

这部分搬运参数和字符串的地址，没什么可说的，来看搬运完之后的图：

回来继续看 函数：

这部分根据 的参数路径修改进程名字，路径本就是一个个文件名组合而成，最后一项就是程序的名称。

这部分修改进程任务结构体的一些属性，将栈帧中的 修改为 的入口点，当进程在此被调度时就会从这儿开始执行。

用来释放用户空间映射的所有物理内存和页表本身占用的内存，来看如何实现的：

过程很清晰，涉及到的函数前面也说过了，分为三步，注释已经标明。这一部分就将进程原本的内存映像全部给删掉了，被新的映像替换掉。

返回

的最后一部分我们来讨论返回相关的问题， 是个系统调用，系统调用的流程在前文系统调用如何实现的时候出过一张图，当时是用 为例子来说的，这里在来看一眼：

每个系统调用的基本流程都是差不多的，如上图所示，这里我们主要关注返回的部分，当内核功能函数(系统调用实际工作的函数)执行完后，就会去内核栈获取返回地址： 中断退出函数的地址，执行这个函数就是中断退出操作，最后一条指令为 ，执行之后就返回到用户态。

但是 有所不同，举个例子，进程内存映像 的某个函数调用了 ，随后进入内核后执行 这个实际的功能函数， 创建了一个新的内存映像 ， 执行完之后同样的去内核栈获取返回地址：，但是执行这个函数不会返回原来的内存映像 ，而是返回到新的内存映像 ，因为 已经没了，原因如下：

• 用户级上下文 的 已经修改为 的入口点
• 用户栈指针已经修改为新用户栈顶
• 切换到了新页表，旧页表已经释放，页表就可以看作虚拟地址空间。

来看看 系统调用的过程图：

再来看看 实际干了哪些事情的流程图：

好了 到此结束，这条线捋得应该还是蛮清晰的。

创建第一个进程

有了前面创建普通进程和程序加载的铺垫，创建第一个进程是很简单的，相关代码在 。第一个进程就像是 fork 和 exec 的结合体，因为是第一个，也就没有父进程的内存映像克隆，所以要调用 来加载 程序。 的实际情况稍有不同，它是先加载一个 程序，这个程序再调用 加载 程序。来看实际源码：

这一部分分配任务结构体，然后调用 初始化虚拟地址空间，将 程序装进去。 程序是进程回到用户空间要执行的初始化程序，程序要在用户空间运行，就要在用户空间分配内存然后将相应的程序加载进去，这就是 所作的事情，来看码：

所做的事情具体如下：

• 分配一页物理内存清零
• 将这页物理内存映射到虚拟地址空间的
• 将二进制初始化程序加载到 这个区域

在 里面我们是加载的 文件的可装载段，这里初始化 程序在编译的时候没有编译成 可执行文件，而是编译成了只有机器码的二进制文件，没有多余的信息，可以直接加载到内存运行，而不像 文件只能加载可装载部分而后运行。 也不是一个单独的程序文件，与其他一些东西一起编译成了整个内核文件，所以直接使用 就可。具体的原因可以去看看 ，这里不赘述了。

接着回到 函数：

在 中预留了中断栈帧的空间，这里填充内容，代码段选择子为用户代码段选择子，数据段选择子为用户数据段选择子，栈段 附加数段 等等都共用数据段的选择子。设置栈帧中的 的 位，当中断退出将其弹到 寄存器之后就会允许响应中断。

对这个临时的初始化程序并没有专门为它分配一个用户栈，而是直接使用映射的 的高地址，将 作为栈底，后面我们会看到这个初始化程序很小，所以这样用没有问题。

栈帧里面的 设置为 0，因为从前面的 程序中能够看到，它是将 搬到了 0 地址处，它跟 文件不同有个专门的入口点，这里直接就从头开始执行，所以 设置为 0 就可。

最后这一部分就很简单了，跟 一样，设置进程的名字工作路径和状态，没多少说的。

来看第一个进程刚加载 程序准备执行时的内存映像示意图：

这第一个进程被调度上 执行的第一个函数就是 ，这个函数我们前面说过如果如果是普通函数的话就可以看作一个空函数，但如果是第一个函数的话，会做实际的事情：

主要就是做两件事：

• 初始化 ，主要是对 的锁的初始化
• 初始化日志，并且从日志记录中恢复数据，保证磁盘数据的一致性。

是每个新进程被调度后都要执行的一个函数，它不是 中的函数，下面来看看这个   程序做了啥：

所以 程序就是调用 去加载 程序，这段代码本身应该是很好懂的，如果不太明白，可以回看前面关于 的讲解以及前文系统调用如何实现？。

这里只说一点 如果执行成功是不会返回执行 函数的，原因在 那块已说过。最后来看 程序是什么样子的，其中有些东西我还没说过，所以这里就看个大概流程：

程序主要做两件事：

• 打开控制台文件，然后 出一个子进程运行 程序
• 子进程，其中就包括孤儿进程

好了，第一个进程就讲述这么多，来看张总图结束：

休眠与唤醒

休眠我们前面提到了很多次，今天在这里得见它们的真身，休眠和唤醒两者本身一点都不复杂，甚至可以说是简单，难就难在用锁来同步，关于锁的问题咱们后面几种讨论，这里先来看休眠唤醒的实际操作部分

进入休眠

原型：

使进程休眠在某个对象 上面， 是管理这个对象的锁，但不一定归 所有，比如 sleep(curproc, &ptable.lock)，所有任务结构体表就一把锁，用来管理任务结构体，而比如 sleep(&log, &log.lock)，这把锁就是 所独有的。

要注意我们这里所说的休眠 不是系统调用 ，为避免冲突我后面说 ( 是实际存在的内核函数) 。 的代码就是有这问题，一些用户接口，内核函数，还有个别文件里面的函数取名一样，但是我们实际看码的时候要区别对待。 是根据这里的 实现的，简单提一句，每次时钟中断都会增加滴答数，根据滴答数就可以判断休眠的时间到没，如果没到就持续调用 来休眠。实现原理很简单的，可以自行看一下，本文就不多说了，这里主要还是看具体的休眠是如何进行的。

整个 函数实际就做了这么点事，设置当前进程休眠对象和状态，然后再调用 让出 ，从 返回的时候表示当前进程已经休眠完了并再次被调度上了 ，此时不再是休眠状态所以将休眠对象更改为 0 表没有。

退出休眠

唤醒操作就更简单了，挨个查询任务结构体，寻找状态为 且休眠对象为参数 的进程，然后将其状态更改为 ，表示这个进程被唤醒又可以被调度上 了。

可以看出进入休眠状态和退出休眠状态是很简单的，简单到不需要多做解释，只是注意调用 之后是不会返回的，而是去执行其他进程了，这就是休眠的好处，提高 的利用率。

等待与退出

父进程等待子进程退出， 和 这两个函数其实都主要来释放资源的， 是子进程自己调用，释放一部分资源，但是肯定是释放不完的，因为执行 函数本身就需要资源，比如栈，所以 只能释放一部分，剩下的交给父进程调用 来处理。

子进程退出

第一个进程是不能退出的，它有特殊作用，比如回收孤儿进程的资源。

这一部分关闭所有文件，如果减到 0，再释放该文件的 ，如果文件的链接数和引用数都为 0 了，就删除该文件。详见：了解文件系统调用吗？如何实现的？

这一部分释放当前工作路径的 ，工作路径就是个目录，将其设为 0 表空。另外涉及磁盘读写的操作都要用日志系统来保证原子操作，文件操作不细说，有问题见前文。

父进程可能因为 调用休眠，这里唤醒，锁的问题后面一起说

如果将要退出的进程有子进程，这些进程就会变成孤儿进程，因为当前进程(它们的父进程)要退出了，不管它们了，不会调用 来为他们善后回收进程了，所以叫做孤儿进程。孤儿进程也是需要处理的，将它们全部过继给 进程，如果其中有处于僵尸状态的进程，则唤醒 进程让其立即处理。

进程的状态变为僵尸态，父进程的 会来处理僵尸态的进程， 之后是不会再返回的，因为能被调度的只有 的进程，况且该进程被父进程的 处理之后，该进程都不存在了，何来返回一说？

等待子进程退出

函数主要就是寻找状态为 的进程，找到一个就回收它的资源，来看码

这部分是如果当前进程有子进程且状态为 的话，就回收它的资源

这部分是如果当前进程没有子进程或者当前进程被杀死了了，释放锁，返回 表出错了。 与锁的问题后面详述

这部分是如果当前进程有子进程，但是子进程还没有退出，父进程休眠等待子进程退出。

上述就是 与 函数，可以看出两者的主要工作的确就是回收子进程的资源，当然还有其他工作，比如如果要退出的进程有子进程，则将其子进程过继给 进程。

有了上述的了解再来看状态变化图应该有更深刻的理解：

是一个进程主动调用然后退出， 是一个进程强迫另一个进程调用 退出。每个任务结构体都有个 属性，将其置 1 就表示该进程被 “杀死” 了，但实际还未实际进行 这个操作

函数就只是简单的将 置为 1，如果该进程在休眠，则唤醒该进程。但是 其实并没有将真正地杀死进程——调用 使其退出，那在什么地儿退出呢？

每个进程总有中断的时候，所以在中断服务总程序 里面检查 值，如果发现 ，则调用 退出：

每个进程总会有进入内核的时候，而在离开内核的时候检查 值，如果被 则调用退出，之所以检查两次是因为在 让出 的前后都可能被 ，为了更实时地杀死进程，做了两次检查，但其实后面不做检查也行，因为进程总要再此进入内核，到那时 依然会被捕获，但及时性可能就没那么好。

另外某些情况发现 后会直接返回一个错误值，外层函数捕获到这个错误值就会 ， 在 中随处可见，而 。而 就是打印一串错误消息后就冻住 (无限循环)，总的来说 就是强迫该进程调用 exit 退出。

锁同步的问题一直是操作系统里面最为复杂的问题之一， 中锁的设计在 LOCK一篇中已经聊过，xv6 的锁设计本身不难，难得是锁的使用，这里就根据进程这一块使用锁的地方来简单聊一聊。进程中与锁的有关地方主要有休眠，唤醒，等待，退出，调度，切换，一个一个地慢慢来看。

休眠唤醒

休眠是休眠在某个对象上，唤醒是唤醒休眠在某个对象上的进程，所以想当然的可以这样来声明 和 ：

那这样声明对不对呢？来看个简单的变种生产者消费者的例子：

乍一看感觉没什么问题，但是如果 发生在 之前就会引起死锁:

比如中断这种典型情况：假如此时 ， 准备休眠，但在调用 前发生中断使得 调用延后。这段时间内 在另一个 上执行了，将 置为 1 然后唤醒休眠在 上的 。而 呢，中断结束后它却休眠去了，所以休眠在唤醒之后，休眠错过了唤醒，死锁。

就算不是中断，因为是多处理器，两者运行的时间是不确定的，完全也可能出现上述的情况。避免这种前后感知的信息不一致的办法就是加锁，来看第二个版本：

如此，还是上述同样的情况， 在准备 之前获得了 ， 没有 ，是不可能 的，所以休眠就不会错过唤醒。

这个问题倒是解决了，又有一个新问题，如果 带着 休眠不释放的话，同样死锁。

因此将 的接口定义为：

将这个锁也作为 的参数，在 进入休眠状态时释放该锁 ，在 返回时重新获取该锁。

我们需要在“进入休眠后释放该锁”，如果在这之前释放锁，可能会出现 错过 的情况，原因同前。

但是都进入休眠状态了，怎么可能释放锁呢？我们在前面已经看过进入休眠状态就是修改当前进程状态为 ，且让出 ， 都让出去了，怎么可能释放锁呢？所以释放锁还得在进入休眠状态前操作，那不是又与上面矛盾吗？因此释放锁和进入休眠状态这两个步骤得是一个原子操作，也就是说，再来一个锁。

涉及到了进程状态的改变，那必然是任务结构体数组的那把锁 ，用它来保证释放休眠对象锁和进入休眠状态这两个步骤是个原子操作，但是 对其处理有少许不同，更为精巧一些，来看完整的 代码：

整个代码上下来看十分对称，先不考虑休眠对象锁就是任务结构体锁这种情况，可以很清楚地看到释放休眠对象锁 和进入休眠状态这两个步骤在 这把锁的保护下进行，是个原子操作，经过上面的分析，这样就不会出现什么幺蛾子了。

在调用 的函数通常有对休眠对象锁的取放操作，而 本身从逻辑上来说并不需要释放锁，只是为了避免死锁所以才临时释放。而在同一个函数中对锁的获取和释放通常是成双成对的，所以 在返回时还要重新将休眠对象锁取回来。

再来看 ，休眠对象锁就是任务结构体锁的情况，也就是说休眠在一个进程上，这种情况只有一种：在 函数中，父进程需要等待子进程退出，这个时候它就休眠在自己身上：

这种情况从 函数来看，根本不会释放 ，如此不会死锁吗？ 对此作如下处理：

将 函数分为两部分，实际干事的为 ，但它不需要锁，所以可以回头看看在 中唤醒父进程实际使用的 ，这样就不会造成死锁。

调度切换

调度切换的过程是进程 切换到调度程序，调度程序根据轮询算法选取一个进程 ，然后切换到进程 。

进程 切换到调度程序一般是调用 函数， 是 的封装，在这之前一定要获取到 这把锁来保证进程的上下文。例如 通常用在因时间片到了而重新调度，代码如下：

在调用 取了 这把锁，并把当前进程的状态更改为 ，这之后才来调用 ：

函数在需要重新调度的情况都会被调用，进行了许多检查，调用 当前进程的状态不该是 ，因为 之前已经把状态修改了。此时不该允许中断，因为取锁的时候关中断了， 为了保险，取锁的时候就将中断关闭，避免死锁，这部分详见 LOCK。 是 之前 允许中断的情况，先把这个值保存起来待到该进程再次被调度的时候恢复，保证了同一个进程里中断允许情况一致。下面重点说说为什么 时必须要取得 这把锁

这之上总总会发现 的整个过程都持有 ，要知道执行 是会切换进程的，因而这个锁在一个进程中获取，在另一个进程中释放。这样使用锁很不常见，但这里是必须的。

如果 执行的过程中没有持有 会怎么样呢？举个例子，运行在 的进程 的时间片到了，调用 将进程 A 的进程设置为 ， 在执行 之前另一个 可能调度进程 ，这样的话一个进程运行在了两个 上，其内核栈的上下文就乱套了，所以 的整个执行期间必须持有锁，保证进程的状态和上下文一致。

由此， 前有取锁，后有放锁，但这两个操作不是配对的，进程 来取锁，进程 来放锁。 之后的语句是进程再次被调度重上 后执行的语句，一般就会先来个释放锁的操作，即使是进程是第一个进程也不例外，在前面我们看到，创建一个新进程，就是把这个新进程模拟成一个旧进程，往它的内核站里面填充各种虚假的上下文，使得它像一个已经上过 执行的旧进程。不仅上下文要模仿，行为也要模仿才得行，所以在填充内核级上下文的时候将 设置为 函数的地址：

这个函数表示如果创建的进程不是第一个进程的话就干一件事：释放 ，这就是模仿一个旧进程，因为旧进程执行 切换了上下文之后就是释放 。

但也有 之后不释放的，比如 代码中最后两行：

中调度 之后就永远也不会回来了，因为进程都被销毁了，怎么可能还回来。那取锁放锁岂不是没配对？这里再次注意， 前后取锁放锁本来就不配对，进程 取锁，进程 放锁，然后进程 没了，有问题吗？没有问题。

运行库

最后再来简单聊一聊运行库，运行库是标准库的扩展，这与我们进程有什么关系？ 函数我们都很熟悉，对此有两个常问的问题：程序从 开始吗？ 执行完之后又到哪儿去了呢？这两个问题都与运行库相关， 也是个函数，它也是被调用执行的，而且 执行之前还要为它准备参数，执行完之后还要对程序”善后“，这一切都是运行库来做的。

运行库会对程序的运行环境进行初始化，比如参数，堆，，线程等等，之后调用 执行程序主体， 执行完成之后进行堆的销毁等等操作然后调用 退出，咱们这里来看看极简极简的运行库伪码意思意思：

很清晰地看到在 运行之前，压栈 ， 两个参数，然后调用 函数，之后将 函数的返回值压栈，将其作为 的参数调用 使得进程退出。所以这里应该明白 函数最后的 有什么用处了吧，它会作为 的参数执行 系统调用，根据值的不同系统就可以做出不同的反应。

并没有实现运行库，关于 函数的环境准备隐含的包括在了 函数里面， 就在用户栈里面压入了 函数的参数。而用户程序执行完之后需要显示的调用 来退出，因为它没有运行库来为它调用 。像上述那样简单的运行库实现起来也不复杂，但本文这儿就不叙述了，后面有机会专门写写这方面的文章。

最后总结

关于 的进程方面大概就这么多，关于进程这条线私以为捋得还是够清楚得了，进程如何创建的，第一个进程又是如何创建的，怎么被调度上的 ，第一次上 又是什么情况，程序加载是什么意思，进程如何休眠又如何被唤醒，僵尸进程孤儿进程是如何产生的，程序是从 开始的吗， 结束之后又去了哪，以及比较困难的锁同步问题。

上面的这些问题自己感觉还是说明白了，但是我也只是站在 代码上面去理解它，但实际上为什么要这么设计，这么设计有什么好处，不这样设计可不可以，对此我的水平就不够了，一些问题实在不太清楚。比如锁的粒度问题，开关中断的时机，有些操作看似多余但实际上对于多处理器下的设计十分重要，比如内核页表的切换，类似的问题还有很多。

所以其实我所讲述的都是比较片面简单的东西， 虽小，但五脏俱全，要真细究，跳出原有代码谈设计，这个问题就很难很难，我目前的水平还达不到，所以还需要努力修炼，提升修为。

好了，本文就到这里，有什么问题还请批评指正，也欢迎大家来同我交流学习进步。