操作系统笔记-2-进程(上)

进程是什么

大部分资料都描述进程是资源分配的基本单位，但是这个描述并不能很好的描述进程的特性；另一个种描述是进程是对运行程序的一种抽象，我更赞同这种说法，第一它说明进程和程序有关系，第二它说明必须是运行中的程序。我们看一下Linux下的进程。

进程概念

进程内存布局

进程的内存布局被划分为多个分段，具体如图

• text分段：存放可执行代码，也就是程序的代码
• data分段：存放全局变量
• heap分段：程序运行期间动态分配的内存
• stack分段：方法调用的临时内存(比如方法参数、返回地址和临时变量)

一个进程内存布局例子

进程状态

进程五状态变化图

• new：进程new状态，创建之后就会进入ready状态
• ready：当ready状态的线程被调度器选择时进入running状态，而被中断时又会重新进入ready状态
• running：处于ready状态的进程被调度器调度时会进入running状态执行，此时进程持有cpu执行权
• waiting：当runing状态的进程I/O或事件等待时，会进入waiting状态，当I/O或事件完成时会进入ready状态等待调度器调度
• terminated：当处于running状态的进程运行退出时会进入终止状态

进程控制块

• 进程控制块定义：在多道程序系统中，多个程序并发执行，也就是多个进程并发执行，依赖调度器调度进程获得CPU执行权。这就需要操作系统维护各个进程的信息，比如说当前运行的线程被中断，那下一次要调度时肯定需要知道中断前的状态（比如代码执行到哪一行，寄存器的值等）。这些信息都被存在进程表中，每个进程对应一个表项，这些表项被称为进程控制块
• 进程控制块结构(PCB)
  
  主要分为进程管理、内存管理以及进程打开的文件管理三块，有几个重点关注的属性
  1. Process state：也就是上边介绍的进程的五种状态new, ready, running, waiting, halted等
  2. Program counter：指向进程下一条执行的指令地址
  3. CPU registers：cpu寄存器状态，用于被重新调度时，恢复cpu寄存器使进程正确的从上一次被中断处继续运行
  4. 其他信息在后面的笔记中介绍

线程

在支持线程的系统中，每个进程至少拥有一个线程，此时系统调度的便是线程而不是进程，进程成为线程的容器，PCB中也会额外的记录线程信息。现代的进程一般都拥有多个线程，这样可以提升程序的性能，因为在多核处理器上，多个线程可以并行执行。对于线程的，下一篇笔记中会详解介绍。注意线程是不能脱离进程独立存在的，因为操作系统不会为线程分配系统资源，因此线程要依附进程存在。

进程调度

线程调度是为了充分利用CPU和程序并发执行，因为当一个进程等待I/O或某个事件时，CPU不能做任何事，这个时候就可以调度其他进程执行。那进程是如何调度呢？下面来分析

调度队列

一个进程创建完成时，通常是进入就绪队列，就绪队列是等待调度获得CPU执行权的一个链表队列,如下图所示，链表头指向第一个PCB。

当然也有其他队列，比如wait队列，wait队列中的进程通常都在等待一个确定的事件，等到事件发生时，它们将会加入就绪队列中。一个进程cpu->wait队列->ready队列的转变如下图所示

CPU调度

这一部分在后边的笔记中做详细介绍

上下文切换

• 上下文：上下文指的是进程运行时的状态，这些状态包括寄存器值、进程状态和内存管理信息，都存储在上边介绍的PCB中
• 上下文切换：指的是，CPU在通过调度由执行A进程换成B进程时，需要将A进程的状态保存到A的PCB中，然后从B的PCB中加载上下文信息，这是一个纯开销的操作，因为此时CPU不能做其他有用的工作，其速度取决于内存的速度、需要复制的寄存器数和指令。整个过程的示意图如下
  

进程间通信(IPC)

进程通信的必要性

• 信息共享：如果多个应用都对某个信息有兴趣，必须对信息的访问作并发控制
• 加速计算：把一个任务拆分成多个子任务，子任务可以并行计算
• 模块化：用不同的进程或线程划分系统功能独立运行，使得系统具有模块化

IPC方式-共享内存

• 共享内存结构
  
• 共享内存优点
  速度快：相比消息传递，共享内存只需要在创建共享内存时需要系统调用，消息传递每次都需要系统调用
• 共享内存缺点
  实现比消息传递复杂，需要避免冲突，分布式共享内存实现复杂
• 共享内存的并发(在后续的并发笔记中介绍)

IPC方式-消息传递

• 消息传递结构
  
• 消息传递的优点
  1. 可以用于分布式环境
  2. 不需要相同的内存地址空间
• 消息传递-命名
  1. 直接相连：当两个进程需要通信时，如果建立直接link，则需要互相精确知道进程
  2. 间接相连：进程不直接相连而是通过额外的结构，比如mailboxes或ports
• 消息传递-通信方式
  1. 阻塞：如果阻塞的方式，那么send方法将阻塞直到被其他进程receive(直接相连)或者发送到mailboxes，receive方法将阻塞直到接收到消息
  2. 非阻塞：进程在调用send方法时不阻塞，receive方法也是直接返回消息或者null
• 消息传递-queue缓存区
  1. Zero容量：queue没有缓冲区，因此sender将阻塞直到recipient接收消息
  2. Bounded：有界队列，当queue满时，sender阻塞直到queue有空间容纳消息
  3. Unbounded：无界队列，可以容纳任意数量的消息

总结

进程是操作系统中非常重要的一部分，一篇笔记是不可能记录得了进程的所有内容，这里忽略了很多细节，比如进程的调度算法，进程内存不足时内存置换算法，进程的同步方式，这些都会在后边详细介绍。