操作系统W15MINIX3进程管理


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今天没有带书，那就只能记笔记了。

4.1 -4.2 基本的内存管理

4.3-4.5 页式管理技术

虚拟地址->虚页号->物理页号

缺页->缺页故障

页面替换算法：减少缺页故障的总数

PageSize的大小/工作集

教材版本的minix系统没有实现，没有页式，而是基本的管理。

概述

  • 进程管理器：

    • 进程管理
    • 存储管理(存储管理器) 保持着一张按照内存地址排列的空洞列表，最先匹配算法

    空洞列表：链表/位图 的空闲块管理

一旦有程序被装入内存，它将一直保持在原来的位置直到运行结束，它不会被患处或移动到内存的其他位置去。

机制和策略的分离

策略：哪个进程被放置在内存中的哪个位置是由存储管理器，具体如何放(上层)

机制：为具体的进程设置内存映像由内核中的系统任务；

算法：存储管理策略。

当a.c -> a.out时： 内存的布局是如何的？

内存的布局——组合的ID空间

组合的I(instructions)D (Data)空间：将代码、数据和栈共用一个内存块，作为整体来申请和释放。

创建进程的两种方式：

fork:为子进程分配所需要的空间，子进程是父进程的一个拷贝，对于这种情况没有保存两端父进程代码段的必要

Exec ：修改它的内存映像，老得内存映像被释放，新的内存映像被分配内存。子进程运行新的程序。

独立的I/D空间

在fork时，只要为它分配堆栈段和数据段拷贝所需数量的内存。

子进程和父进程共享由父进程使用的执行代码，即父子进程共享代码。

在exec时：启动新的时候，看看进程表里有没有需要的代码，共享即可。

当我们终止进程释放内存的时候，因为数据和栈是独有的，可以删掉；但是对于代码段而言，要检查进程表看是否还被需要，代码段不再被需要时才应该被删掉。

程序文件与内存布局（重要）【from file-> memory layout】

如何给程序分配内存呢？

磁盘文件的头部包含了进程映像各部分的大小以及总的大小的信息。

为啥要包含了总的大小？

文件头中的total域说明总共分配的内存数量。

组合ID空间的程序布局

4K代码段

2K数据段

1K堆栈

文件头中说明的需要分配的内存总量是40K(total)

故堆栈段和数据段之间未用内存将是33K。

ID空间是组合的还是独立的判定由文件头中连接器设置的一位指出。

独立的ID空间

4K代码

2K数据

1K堆栈

Total域中被分配68K的空间(4K 指令空间，64K数据空间)，留出61K空间供数据段和堆栈在运行时使用。

独立的与代码段无关，故就是64-3

消息处理

  • 进程管理器也是消息驱动的。
  • 系统初始化后，进入主循环，作为服务在工作。
  • 等待消息，执行消息中的请求和发送应答。
  • MINIX微内核架构转为相应的服务器进程。
  • 内核与系统服务器之间的高优先级通信，采用系统通知消息。
  • MINIX系统调用->消息->系统服务器进程
  • 消息来源于类型：fork/exit/wait/brk

受到消息，解析消息，得到下标索引，数据结构为call_vec表，每个元素是函指针，指向相应的处理消息的函数。

数据结构与算法

MINIX3中：进程表：

  1. 内核kernel
  2. 进程管理器 Process management (存储管理)
  3. 文件管理器 File management

表项是精确对应的，进程管理器中的k和文件系统中的k对应的应该是同一个进程。

在进程创建或结束时，这三个部分都要更新它们的表以反映新的情况。

内存中的进程

PM管理器的进程表叫做mproc，mproc.h

mp_seg数组，它有三个表项，分别用于代码段/数据段和堆栈段。

他们都是用块而不是字节度量的。

1
2
3
4
5
6
struct mem_map mp_seg[NR_LOCAL_SEGS];
struct mem_map{
  vir_clicks mem_vir;
  phys_clicks mem_phys;
  vir_clicks mem_len;
};

内存中的记录

组合ID，代码段总是空的，数据段包含了代码和数据。

独立ID，代码段和数据段的长度都不为0；

Mm_seg数组记录了进程里面三个段的映射关系，

栈的虚拟地址起始和进程内存总量

  • 栈的起始虚地址取决于分配给进程的内存总量，位于分配给他的内存的最高端。
  • 应用chmem命令修改文件头，下一次文件执行时堆栈将从一个更高的虚地址开始。
  • 0x8->0x7堆栈增长了一块的变化 向下
  • 0xd0->0xcf 向下
  • 0x2->0x3 向上

数据段于堆栈段越界(P4)

  • MINIX中数据段描述符和堆栈段描述符是一样的，即硬件认为他们处于同一个段里， 硬件是无法检测这种越界的
  • 数据和堆栈使用同一段的不同部分，两者都可以扩展进入位于他们的空隙之中。
  • MINIX来管理这种越界，CPU硬件无法检测，若交错，可能有冲掉，导致程序出错。

共享代码段

只读代码段的共享。

exec要装入一个程序时，如果进程使用的是独立ID，那么就会搜索每个mproc表项，找到了以后，只要把新进程内存映射的mm_seg[T]初始化为指向已经装入代码段的位置。此时我们只需要为数据段和堆栈段分配相应的内存空间。

空闲链表

按照内存地址递增的顺序列出了内存中的各个空洞

  • 最先匹配法
  • 在进程结束后，他的数据和堆栈内存区将归还给空闲链表。I/D情况分为组合和独立的ID空间释放。
  • 当被归还后，要看左右是否有gap空洞，进行空洞的合并操作。

创建进程的系统调用

在创建和撤销进程时必须分配或释放内存、必须更新进程表，包括由内核和FS保存的部分。这些操作都由进程管理器协调。

FORK

  1. Check if PTable is full

  2. allocate memory,为子进程非配空间

  3. Copy ，将父进程的拷贝到子进程

  4. find a free process slot and copy parent’s slot to it

  5. enter the child’s memory map in process table

  6. Choose a PID for a child

  7. 告诉kernel 和FS孩子来了

  8. Report 孩子的memory马屁头kernel

  9. send reply message to parent and child.

当子进程已经退出或被kill，但是父进程没有执行wait来回收，那么此时子进程会进入某种挂起状态，僵死状态，它将仍留在进程表中，它的内存被释放。

父进程执行wait时，释放进程表项，告诉kernel和FS被释放了。

exec

新的内存影响来替换当前的内存映像

  1. 检查要加载的文件permission bit是否为1（x)
  2. 检查要加载的文件头部获得segement和total sizes;
  3. 获取参数和环境变量
  4. 分配新的释放老的
  5. stack
  6. data
  7. 设置handle segued,setgid bits
  8. 更新process table entry
  9. 告诉kernel 和process它是可执行的了。

在执行过程中，需要考虑可执行文件是否可以放的进虚地址空间。

click

设置栈的初始状态：了解。

Brk和sbrk

库过程brk和sbrk用来调整数据段的上线。

前者的参数是绝对长度(bytes)后者的单位是相对增量。

检车各个部分是否仍在地址空间中、调整表、并通知内核。

信号处理系统调用

在系统中定义了一组信号，每个信号都有一个默认的动作，kill进程或忽略信号

sig_handler:将信号和动作绑定

  • 信号处理3个阶段：
    • 准备
    • 响应
    • 清理阶段

准备阶段

SIGACTION：忽略某些/捕获某些signal

SIGPROCMASK：阻塞信号

进程的signet_t变量表示可能的信号，定义忽略和捕获的信号的集合。

每个进程的sigaction的结构数组

1
2
3
4
5
struct sigaction{
  _sighandler_t sa_handler;
  sigset_t sa_mask;
  int sa_flags;
}

信号类型

MINIX3信号定义/usr/include/signal.h POSIX 标准

信号产生：KILL系统调用/内核产生

信号处理的清理阶段(介绍)

SIGRETURN系统调用

进程表由于空间有限，只能保存一份副本。

用户空间的定时器

内核空间定时器：系统进程

用户进程定时器：进程管理器

二者方法类似；

进程管理器维护一个定时器队列，每次根据队列头部的定时器向时钟任务发出警报请求。

在一个时钟中断后，若系统检测到一个时期的警报，进程管理器会收到一个通知，然后，它会检查自己的定时器队列，并向相应的用户进程发送信号。

其它的系统调用

time/stime/time；

Getuid/geteuid;

ptrace/rebbot

4.8 MINIX3进程管理器实现

头文件和数据结构

  • pm.h
  • glo.h
  • mproc.h
  • table.c –call_vec(PM消息)
  • …

主程序

  • 进程管理器是独立于内核和文件系统编译和连接的，所以它有自己的主程序。
  • 它的主程序在内核初始化自己之后被启动。

fork,exit,wait的实现 forkexit.c

exec的实现

  • 由exec.c中的do_exec函数实现
  • 若映像是可执行文件，则用其替换当前的内存映像
  • 若映像是脚本文件，则装入解释程序的二进制文件，并将该脚本文件的文件名作为其参数。

brk的实现

当进程创建时，将获得一块用于存放数据和栈的连续内存区域，该区域是固定的连续的内存区固定

数据段和栈段可以共享其中的间隙

brk用于调整数据段的大小，在break.c中do_brk实现

首先检查新的大小是否可能，然后更新相关的表。

数据和栈交错了咋办呢?–课程设计。

若交错了，是说明了什么呢？空间不够，要重新分配大的空间。

信号处理实现

与信号处理相关的系统调用8个，signal.c中实现

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