问题28

该题目要求我们考虑一个操作系统中进程管理的问题。

题目描述

在一个透明的多进程操作系统中，支持fork（）和 exec（）系统调用。操作系统采用页式虚拟内存管理，且有一个用户级虚拟内存管理器。它按照以下方式将虚拟地址映射到物理地址：

1. 虚拟地址的高位位数是虚拟页号。

2. 所有的进程共享一个页面表，每个进程拥有自己的页目录。

3. 页面表中的每一条目都有权限位，用于确定进程能够对页面进行的操作类型。

4. 虚拟地址的第二高位用于确定它属于哪个进程。

假设一个进程当前正在运行，则fork系统调用的作用是复制该进程和其内存映像，其中每个页都标记为只读。而exec系统调用的作用是装载并运行一个新的程序，它将覆盖进程的当前代码段和数据段，但是保留了进程的页表。

考虑一个场景，其中一个父进程通过fork系统调用创建了一个子进程，然后子进程再通过exec系统调用替换自己。当子进程试图执行以前由父进程共享的只读页时，将会发生什么？

请解释您的答案。

解题方法

该题是一道计算机操作系统中的进程管理问题，需要理解以下几个概念。

Fork系统调用

Fork系统调用是操作系统中进程管理的系统调用之一。该系统调用可以创建一个新的进程，并使新的进程与原进程有不同的PID。新进程是原进程的一个完全复制，包括代码和内存空间等。

Exec系统调用

Exec系统调用是操作系统中进程管理的系统调用之一。该系统调用可以用于运行另一个程序。Exec函数会将当前进程的内容替换为新进程。在执行exec系统调用后，原程序的代码段和已经分配的数据段都会被覆盖。

虚拟内存管理器

虚拟内存管理器（Virtual Memory Manager, VMM）是一个管理虚拟内存的操作系统内核部分。它实现了虚拟地址到物理地址的映射，为用户进程提供了虚拟内存空间。VMM可以将进程的虚拟地址映射到物理地址，同时保证虚拟内存地址的完整性和独立性。

页面表和页目录

页面表（Page Table）是虚拟内存管理器中记录虚拟内存和物理内存映射关系的数据结构。每个进程对应一个页面表。页面表记录了虚拟内存地址到物理内存地址的映射关系。页目录（Page Directory）则是一个记录页面表地址的数据结构，用于多个进程共用同一种虚拟内存。

在了解了上述概念之后，我们可以回答本题的问题。

假设子进程试图执行以前由父进程共享的只读页，执行请求将被操作系统拒绝，因为只读页是不能被写入的。

当子进程试图写共享只读页的时候，处理器会产生某种形式的缺页异常，此时操作系统会负责处理该异常。根据操作系统不同的策略，缺页异常可能会被操作系统拒绝，也可能会触发一个写时复制（Copy on Write, COW）当前页的拷贝。COW是一种技术，它通过仅在第一次写入时创建副本来复制内存页，以尽可能增加可共享页的数量。

因此，对于子进程试图写共享只读页的情况，操作系统会通过COW来执行写入。这样，在父子进程之间共享只读页时，就可以避免无谓的内存页面复制。

结论

当子进程试图执行以前由父进程共享的只读页时，执行请求将被操作系统拒绝。

当子进程试图写共享只读页的时候，操作系统会通过COW来执行写入。

参考文献

• 马卓立等. 操作系统. 北京：机械工业出版社，2015.

• Abraham Silberschatz, Peter B. Galvin, Greg Gagne. Operating System Concepts. Wiley, 2018.