2.3　进程控制

L08

学习目标

进程控制：创建与基本状态。本课实现侧对照 los_task.c 的 Create/Start；user 自测台确认 Task1 运行。协作 Yield 可用 04-task-yield 加深。

  • 进程创建：申请 PCB/TCB、分配栈等资源、插入就绪队列。
  • LiteOS-M：LOS_TaskCreate 填写控制块；TCB 对应教材 PCB。
  • 高优先级任务若不让出 CPU，低优先级入口暂不执行——对照「调度」概念。
  • 本课主实验 01-task-create；可选 04-task-yield 观察协作切换。

原理 · 深入理解

进程五态转换 新建 就绪 运行 阻塞 终止 当前任务 黄点标出此刻所在状态。调度：就绪→运行 · 等待 I/O：运行→阻塞 · 完成：运行→终止

2.3 进程控制

本节概览：先建立「进程控制」的框架，再依次展开下列小节。

  1. 操作系统内核
  2. 进程的创建
  3. 进程的终止
  4. 进程的阻塞与唤醒
  5. 进程的挂起与激活

2.3.1 操作系统内核

在进程管理中，由于各个功能模块的运行频率较高，或它们为多种功能模块

所需要，通常将它们放在内核中，以提高OS 的性能。

存储器管理软件的运行频率也比较高，通常也放在内核中，以保证存储器管理具有较高的运行速度。

2.3.2 进程的创建

为使程序之间能并发运行，应先为它们分别创建进程。导致一个进程创建另一个进程的典型事件有四类：用户登录、作业调度、提供服务、应用请求。

系统中每当出现创建新进程的请求后，OS便调用进程创建原语 Createe按下述步骤创建新进程。

  1. 初始化进程控制块(PCB)
  2. 如果进程就绪队列能够接纳新进程，便将新进程插入就绪队列

申请空白PCB，为新进程申请获得唯一的数字标识符，并从PCB集合中索取一个空白PCB。

为新进程分配其运行所需的资源，包括各种物理和逻辑资源，如内存、文件、I/O设备和CPU时间等。

图2-13 进程树 P0 P1 P2 P3 P4 父进程创建子进程，形成层次
图2-13 进程树

OS中允许一个进程创建另一个进程，形成进程的层次结构。

为形象描述进程家族关系，引入进程图Process Graph，它是一棵有向树，节点代表进程。

进程的层次结构

创建进程的进程称为父进程，被创建的进程称为子进程；子进程可继续创建孙进程，形成层次结构。如UNIX中进程与其子孙共同组成一个进程家族(组)。

进程图

用于描述进程间关系的一棵有向树，图中节点代表进程，创建父进程的进程称为祖先进程，树的根节点作为进程家族的祖先(Ancestor)。

2.3.3 进程的终止

引起进程终止的事件

进程不会自行从系统中消失。要终止进程，通常先遇到以下三类事件，再由内核执行终止原语。

正常结束

任务完成，准备退出。批处理程序末尾常用一条 Halt 指令通知操作系统；分时系统中用户注销也会产生中断，表示进程已执行完毕。

异常结束

运行中出现越界、保护错、非法指令、超时、算术错、I/O 故障等，程序无法继续执行。

外界干预

应外部请求而停止：操作员或操作系统干预、父进程要求，或者父进程自身先终止。

如果系统中发生了要求终止进程的某事件，OS便调用进程终止原语，按下述过程终止指定的进程。

若被终止进程正处于执行状态，应立即终止其执行，并置调度标志为真，指示该进程被终止后应重新进行调度。

  1. 根据被终止进程的标识符，从PCB集合中检索出该进程的PCB，从中读出该进程的状态
  2. 若该进程还有子孙进程，还应将其所有子孙进程也都予以终止，以防它们成为不可控的进程
  3. 将被终止进程所拥有的全部资源或者归还给其父进程，或者归还给系统
  4. 将被终止进程(PCB)从所在队列(或链表)中移出，等待其它程序来搜集信息

若被终止进程正处于执行状态，应立即终止该进程的执行，并置调度标志为真，用于指示该进程被终止后应重新进行调度。

2.3.4 进程的阻塞与唤醒

有几类事件会引起进程阻塞或被唤醒：向系统请求共享资源失败；等待某种操作的完成；新数据尚未到达；等待新任务的到达。

正在执行的进程若发生上述事件，便通过调用阻塞原语block将自己阻塞。阻塞是进程自身的主动行为。

进入block过程后，由于该进程仍处于执行状态，应先立即停止执行，把PCB中的现行状态由「执行」改为阻塞，并将PCB插入阻塞队列。最后转调度程序重新调度，将处理机分配给另一就绪进程并进行切换。

引起进程阻塞和唤醒的事件

向系统请求共享资源失败；等待某种操作的完成；新数据尚未到达；等待新任务的到达。

进程阻塞过程

执行进程调用block原语主动阻塞自己：先停止执行，将PCB状态由「执行」改为阻塞并插入阻塞队列，再转调度程序重新调度，保留被阻塞进程的处理机状态，按新进程PCB设置CPU环境。

当被阻塞进程所期待的事件发生时，比如它启动的I/O操作已完成，或所期待的数据已经到达，则由有关进程（如提供数据的进程）调用唤醒原语wakeup，将等待该事件的进程唤醒。

wakeup执行过程：把被阻塞的进程从等待该事件的阻塞队列中移出，将其PCB中的现行状态由阻塞改为就绪，再将该PCB插入到就绪队列中。

2.3.5 进程的挂起与激活

本节建立「进程控制」的框架。进程控制负责进程的创建、终止、状态转换等管理工作，由OS内核中的一组原语实现。

依次展开五个小节。

  1. 操作系统内核
  2. 进程的创建
  3. 进程的终止
  4. 进程的阻塞与唤醒

做 · 实验

  • 打开工作台 L08，阅读 kernel/los_task.c 中 Create/Start 相关路径。
  • 烧录 01-task-create，串口出现 Task1，且不应出现 Task2。
  • 对照头文件，指出 Create 参数里哪些写进了 TCB（入口、栈、优先级）。
  • 选做：烧录 04-task-yield，串口应交错出现 A 与 B。
  • 根据「学习目标」列出 3 个关键词，对照原理段落解释给自己听。

打开工作台

进程控制

thread-vs-process

用控件单步操作；日志区记下每一步发生了什么。

代码导读

本课在工作台编译烧录。先读 user 实验入口，再对照 kernel / HDF 中被调用的函数，不要一上来改链接脚本。

总结与提升

  • 能指认 Create 参数与 TCB 字段的对应。
  • 能说明创建成功后低优先级任务处于就绪，只是暂时抢不到 CPU。
  • 能用自己的话复述学习目标，并指出概念与板上实验的对应。

延伸思考

  • 创建后若不 Start，任务处于什么状态？
  • 两个任务共用一个数组作栈会怎样？
  • 阻塞态谁负责唤醒？
  • 如果把本节机制拿到 Linux 或完整 OpenHarmony 上，会多出哪些硬件假设？

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