系統調用的概念簡介

　　操作系統在其核心中設置了一組用于實現各種系統功能的子程序(即過程)，供應用程序調用。由于OS系統過程的特殊性，使應用程序不能采用一般的過程調用方式來調用這些過程，而是利用一種系統調用命令，去調用所需的系統過程。下面是小編幫大家整理的系統調用的概念簡介，歡迎大家分享。

　　(1)運行在不同的狀態。一般的過程調用，其調用程序和被調用程序都運行在相同的狀態一系統態或用戶態;而在系統調用中，調用程序通常運行在用戶態，被調用程序運行在系統態。

　　(2)系統狀態的轉換。由于一般的過程調用并不涉及系統狀態的轉換，故可直接由調用過程轉向被調用過程。但在運行系統調用時，由于調用和被調用過程是工作在不同的系統狀態，因而不允許由調用過程直接轉向被調用過程。通常都是通過軟中斷機制，先由用戶態轉換為系統態，經內核分析后，才能轉向相應的系統調用處理子程序。

　　(3)返回問題。在采用了搶占式(剝奪)調度方式的系統中，在被調用過程執行完后，要對系統中所有要求運行的進程做優先權分析。當調用進程仍具有最髙優先級時，才返回到調用進程繼續執行;否則，將引起重新調度，以便讓優先權最高的進程優先執行。此吋，需要把調用進程放入就緒隊列。

　　(4)嵌套調用。像一般過程一樣，系統調用也可以嵌套進行，即在一個被調用過程的執行期間,還可以利用系統調用命令去調用另一個系統調用。當然，每個系統對嵌套調用的深度都有一定的限制，通常深度不超過6

　　拓展：操作系統原理

　　什么是進程?

　　進程的出現，是為了是操作系統可以以一種有序的方式管理應用的執行，以達到以下目的：

　　資源對多個應用程序是可用的;

　　物理處理器在多個應用程序之間切換以保證所有程序都在執行中;

　　處理器和I/O設備能得到充分利用;

　　所有現在操作系統采用的方法都是依據一個或者多個進程存在的應用程序執行的一種模型。 到底什么是進程呢?

　　進程是一組元素組成的實體，它可以是一個正在執行中的程序，也可以是一個能分配給處理器并由處理器執行的實體。

　　進程的兩個基本元素是：程序代碼(program code)和代碼相關聯的數據集(set of data)。

　　在進程執行時，任意給定一個時間，進程都可以唯一地表征為以下元素：

　　標識符：進程的唯一標識符，用來區別其他進程

　　狀態：進程在不同的生命周期有著不同的狀態

　　優先級：相對于其他進程的優先級

　　程序計數器：程序中即將被執行的下一條指令的地址

　　內存指針：包含程序代碼和進程相關數據的指針，還有和其他進程共享內存塊的指針

　　I/O狀態信息：包括顯示的I/O請求、分配給進程的I/O設備和被進程使用的文件列表等

　　記賬信息：可能包括處理器時間總和、使用的時鐘數總和、時間限制、記賬號等

　　上述的列表信息被存放在一個稱為進程控制塊的數據結構中，該控制塊由操作系統創建 和管理。

　　進程狀態

　　在任何時刻，進程可以處于以下兩種狀態之一：運行態和未運行態，這是最簡單的兩狀態模型。在這個模型中，會有一個調度器(dispatcher)，使處理器從一個進程切換到另外一個進程。

　　'內存狀態轉換'

　　由于存在著一些處于非運行狀態但已經就緒等待執行的進程，而同時存在另外一些處于堵塞狀態等待I/O操作結束的進程。

　　因此，解決這一問題比較自然的方法是使用五狀態模型： 運行態、就緒態、堵塞/等待態、新建態和退出態。

　　'五狀態模型'

　　(1)被掛起的進程

　　上述的基本狀態提供了一種為進程建立系統模型的方法，并指導系統的實現。但是，往這個模型中添加其他狀態也是合理的。

　　由于處理器的運行速度遠大于I/O，以至于內存中所有的進程都在等待I/O的情況也是很常見的。因此，即使是多道程序設計，大多數處理器仍然可能處于空閑狀態。

　　一種解決方案是增大內存，使得內存中可以存在更多的進程。然而這種方案顯然是治標不治本的。

　　另外一種解決方案是交換(swapping)。當內存中沒有處于就緒狀態的進程時，操作系統就把被阻塞的進程換出到磁盤中的掛起隊列(suspend queue)。操作系統在此之后取出掛起隊列中的另一個進程，或者接受一個新進程，將其加載到內存中運行。這時，在進程狀態模型中添加了另外一個狀態：掛起態。

　　當操作系統從掛起隊列中取出一個依然阻塞的進程是毫無意義的，因為它仍然沒有準備好執行。所以為了區分被掛起的進程哪些是可以取出的，需要設計另外一種掛起模型：

　　為了區分，需要四個狀態：

　　就緒態：進程在內存中并可以執行

　　阻塞態：進程在進程中并等待一個事件

　　阻塞/掛起態：進程在外存中并等待一個事件

　　就緒/掛起態：進程在外存中，但是只要被載入內存就可以執行

　　總結一下掛起的進程的概念：

　　進程不能被立即執行。

　　進程可能是或不是正在等待一個事件。如果是，阻塞條件不依賴于掛起條件，阻塞事件的 的發生不會使進程立即執行。

　　為組織進程的執行，可以通過代理把這個進程置于掛起狀態，代理可以是進程自己，也 可以是父進程或者操作系統。

　　除非代理顯示的命令操作系統進行狀態轉換，否則進程無法從這個狀態中轉移。

　　除了因為提供更多的內存空間，進程還會因為什么原因被掛起呢?

　　在所有這些導致進程掛起的情況中，掛起進程的活動都是由最初請求掛起的代理請求的。

　　進程描述

　　操作系統控制計算機系統內部的事件，它為處理器執行進程而進行調度「schedule」和分派 「dispatch」，給進程分配資源，并響應用戶程序的基本服務請求。因此，操作系統可以被視為管理系統資源的實體。

　　操作系統為了控制進程和管理資源需要哪些信息呢?

　　(1)操作系統的控制結構

　　為了管理進程和資源，操作系統構造并維護它所管理的每個實體的信息表。

　　操作系統維護四種不同類型的表：內存、I/O、文件和進程。

　　內存表「memory tables」用于跟蹤內存和外存。內存表必須包括一下信息：

　　分配給進程的內存

　　分配給進程的外存

　　內存塊或者虛擬內存塊的保護屬性

　　管理虛擬內存所需要的任何信息

　　I/O表「I/O tables」用于管理計算機系統中的I/O設備和通道。在任何給定的時刻，一個I/O 設備或者是可用的，或者是已分配給某個特定的進程。如果正在進行I/O操作，則操作系統需 要知道I/O操作的狀態和作為I/O傳送的源與目標的內存單元。

　　文件表「file tables」用于提供關于文件是否存在、文件在外存中的位置、當前狀態和屬性 的信息。

　　進程表「process tables」為了管理和操作進程所必須使用的表。

　　(2)進程控制結構

　　操作系統在管理和控制進程時，首先必須知道進程的位置，然后，它必須知道在管理時所必需的進程的屬性(如進程ID、進程狀態)。

　　進程位置

　　想一個最基本的問題：進程的物理表示是什么?

　　回想之前關于進程的定義，進程至少包括一個或者一組被執行的程序，與這些程序相關聯的 局部變量、全局變量和任何已定義常量的數據單元。因此，一個進程至少包括足夠的內存空 間，以保存該進程的程序和數據;此外，程序的執行通常設計用于跟蹤過程調用和過程間參 數傳遞的棧。最后，與每個進程相關聯的還有操作系統用于控制進程的許多屬性，也就是進 程控制塊。程序、數據、棧和屬性的集合稱為進程映像「process image」。

　　在最簡單的情況下，進程映像保存在鄰近的活連續的存儲塊中。因此，操作系統必須知道每 個進程在磁盤中的位置;對于在內存中的進程，需要知道其在內存中的位置。

　　現代操作系統嘉定分頁硬件允許用不連續的物理內存來支持部分常駐內存的程序。在任何給 定的時刻，進程映像的一部分可以在內存中，剩余部分可以在外存中。因此，操作系統維護 的進程表必須表明每個進程映像中每頁的位置。

　　進程屬性

　　操作系統所需要的每個進程信息的簡單分類：

　　進程標識信息

　　進程狀態信息

　　進程控制信息

　　所有的操作系統中，每個進程都分配了唯一的一個數字來表示進程標識符。除此之外， 還分配一個用戶標識符，用于表明擁有該進程的用戶。

　　處理器狀態信息包括處理器寄存器的內容。當進程被中斷時，所有寄存器中的信息必須 被保存起來，使得進程恢復執行時，這些信息可以被恢復。

　　進程控制塊中的第三類主要信息是進程控制信息，用于操作系統控制和協調各種活動進 程所需要的額外信息。

　　進程控制塊中可能還包含構造信息，包括將進程控制塊鏈接起來的指針。

　　進程控制塊的作用

　　進程控制塊是操作系統中最重要的數據結構。操作系統中的每個模塊，包括那些設計調度、 資源分配、中斷處理、性能檢測和分析的模塊，都可能讀取或者修改進程控制塊。

　　進程控制

　　(1)執行模式

　　為了保護操作系統和重要的操作系統表不受用戶程序的干涉，操作系統通常使用兩種模式管理進程：特權模式『也稱為系統模式(system mode)、控制模式(control mode)或者內核模式 (kernel mode)』，和用戶模式。

　　在內核模式下，軟件具有對處理器及所有指令、寄存器和內存的控制能力，這一級的控制對用戶程序不是必需的，并且為了安全也不是用戶程序可以訪問的。

　　(2)進程創建

　　操作系統一般安裝以下步驟創建進程：

　　給進程分配一個唯一的進程標識符。此時，主進程表中增加一條新表項，其對應該進程。

　　給進程分配空間。包括進程映像中的所有元素。

　　初始化進程控制塊。進程控制信息部分的初始化基于標準默認值和為該進程所請求的屬 性。

　　設置正確的連接。

　　創建或者擴充其他數據結構。

　　(3)進程切換

　　關于進程切換，有著一些問題。

　　進程什么時候進程切換?

　　執行模式切換和進程切換之間有什么區別?

　　進程切換時，操作系統必須對它控制的各種數據結構做什么?

　　何時切換進程

　　通常，下列原因可能造成進程切換。

　　模式切換

　　如果存在一個未處理的中斷，處理器會做以下工作：

　　把程序計數器置成中斷處理程序的開始地址。

　　從用戶模式切換到特權模式，使得中斷處理代碼可以包含有特權的指令。

　　進程的狀態變化

　　如果當前正在運行的進程被轉換到另外一個狀態(就緒、掛起等)，則操作系統必須使其環境發生實質性的變化：

　　保存處理器的上下文環境，包括程序計數器和其他寄存器。

　　更新當前處于運行態進程的進程控制塊，包括將進程狀態改變到另外一個狀態。

　　將進程的進程控制塊移 到相應的隊列。

　　選擇另一個進程執行。

　　更新所算則進程的進程控制塊。

　　更新內存管理的數據結構。

　　恢復處理器在被選擇的進程最近一次切換出運行狀態時的上下文環境。

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