• 前言
• 一、操作系统三个抽象
  • 进程
  • 虚拟内存
• 二、加载执行

前言

一、操作系统三个抽象

简单介绍操作系统进程、虚拟内存、文件三大抽象，便于后续内容的理解

进程

一个执行程序的实例，每个程序都运行在进程的上下文
抽象1：（处理器的逻辑控制流）时间分片，并发控制
抽象2：（内存系统）进程为每个程序提供了他自己的私有地址空间

（1）内核模式和用户模式

（2）进程控制

1. 获取进程id：getpid()
2. 进程的创建：

/*
fork:
1.子进程获得与父进程虚拟内存相同但独立的副本，且具有相同的文件描述符
2.调用一次，返回两次，父进程返回子进程pid，子进程返回0 
3.并发执行
 */
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
pid_t fork(void);

3. 进程的执行：
   

/*
execve:在当前进程上下文加载运行新程序 
filename:可执行目标文件
argv:参数列表
envp:环境列表变量 

加载到main：
int main(int argc, char *argv[], char *envp[]);
*/ 
#include <unistd.h>
int execve(const char *filename, const char *argv[], const char *envp[]); 

4. 等待进程

//waitpid:
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
pid_t waitpid(pid_t pid, int *statusp, int options); 

//wait
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
pid_t wait(int *statusp);

5. 进程休眠

#include <unistd.h>
unsigned int sleep(unsigned int secs);
int pause(void);

6. 进程终止
   正常终止
   return or exit
   异常终止
   控制移交给操作系统，跳转到内核异常处理代码
   僵死进程
   父进程调用wait等待子进程结束

虚拟内存

组织为存放在磁盘上的N个连续字节单元的数组
特点1：物理内存是虚拟内存的缓存，进程不必全部加载到内存，节省空间
特点2：为进程提供独立私有空间，防止干扰

1. 页表
   
   页命中：从物理地址取出数据操作
   页不命中：根据替换策略选择牺牲页，改写页表，先从虚拟内存加载到物理内存再访问
2. 地址翻译
   
3. 再看进程管理
   fork：创建时共享虚拟内存，记为私有的写时复制
   execve：加载器将代码、数据映射到私有区域，库函数映射到共享区域

二、加载执行

将可执行目标文件加载到内存，构造虚拟内存映射，并跳转到程序入口点

linux> ./prog

1. 流程
   ① 输入命令：$./hello
   ② shell命令行解释器构造argv和envp；
   ③ 调用fork()函数创建子进程，其地址空间与shell父进程完全相同，包括只读代码段、读写数据段、堆及用户栈等
   ④ 调用execve()函数在当前进程（新创建的子进程）的上下文中加载并运行hello程序。将hello中的.text节、.data节、.bss节等内容加载到当前进程的虚拟地址空间
   ⑤ 调用hello程序的main()函数，hello程序开始在一个进程的上下文中运行。

2. execve加载细节
   ① 删除已存在的用户区域（自父进程独立）。
   ②映射私有区：为代码、数据、.bss和栈区域创建新的区域结构，所有这些区域都是私有的、写时才复制的。
   ③ 映射共享区：比如标准C库libc.so，映射到用户虚拟地址空间中的共享区域内。
   ④设置PC：设置当前进程的上下文中的程序计数器，使之指向代码区域的入口点。
   ⑤execve调用成功不会返回，只有当出现错误时，例如找不到需要执行的程序时，execve才会返回到调用程序。