文章目錄
- 前言
- 多進程操作系統的由來
- 操作系統是如何支持多進程圖像的
前言
操作系統裏面有兩個非常重要的圖像，一個是多進程圖像，另外一個就是文件管理圖像。這一篇博客來和大家探討一下什麼是多進程圖像，以及操作系統是如何支持多進程圖像的。
多進程操作系統的由來
多進程圖像對操作系統非常重要，是操作系統的核心部分，明白了它之後對於操作系統就明白了一大部分。
那麼多進程圖像是怎麼想出來的呢?
操作系統的核心就是管理硬件，CPU是計算機的核心硬件，操作系統就是在管理cpu的時候想出了多進程圖像，並且通過多進程圖像將cpu管理好了，CPU管理好了，其他硬件自然帶動起來了，所以說多進程圖像是操作系統的核心圖像。
cpu管理的直觀想法：
管理CPU，首先使用cpu，管理它就是要更加高效的使用它。cpu是怎麼用的呢？
cpu是如何工作的
CPU的工作原理：如果pc指針是200，那麼cpu就是把200放在地址總線上面，然後內存知道地址總線上面的值是200，就把200這個地址對應的指令通過數據總線發給cpu，然後cpu執行指令，pc指針自動加一，如此往復。
從這裏可以看出，只要給cpu一個初值就可以工作了。，因爲pc指針會自動加加的，
這麼一直執行有沒有什麼問題呢？
功能上是沒有問題的，因爲無論有多少道程序，只要計算機不死機總能執行完；但是在性能上呢？我們都知道程序並不都是計算程序的，有些程序是要訪問io的，如果是都是計算的程序，那麼cpu一直在使用，利用率爲100%，但如果是訪問io的程序呢？在訪問io時，cpu是處於空閒狀態的，如果按照剛纔那種執行方式在訪問io的時候，cpu只能乾等着，這樣就降低了cpu的使用效率了。實際上，這對於cpu的效率影響是非常大的，cpu訪問一次io用的時間可能可以讓cpu執行十萬次計算指令了，畢竟電子設備和機械設備的速度差了很多個數量級。
有問題存在就會有人去想解決方法。正如“你爲什麼要去登珠穆朗瑪峯？因爲它就在那裏”一樣。這個問題就像你泡茶的時候，在等水開的那段時間你會一直盯着水看嗎？肯定不會，因爲你看不看對結果沒有影響，水並不會因爲你在旁邊看而縮短開的時間。
於是有人提出一個解決方法，如果程序A在訪問io，那麼就趁這段時間去執行程序B，等程序A的io訪問完了之後再接着執行程序A，這樣就會縮短程序總的執行時間；cpu的利用率也就自然而然的上來了。即“同時”執行多道程序。
“多道程序、交替執行”是提高cpu效率的一個好辦法。但是如何實現呢？
在一個cpu上面交替執行多個程序稱爲：併發。如何實現併發？程序A在執行的時候如果碰見io指令就跳到程序B去執行，這個可以通過修改PC指針來實現，等程序A的io執行完了再跳回來也是通過修改PC指針就可以實現，看起來好像很容易實現，但是真的是這樣嗎？看下面一個例子：
如果只執行程序1，那麼當add ax,bx 執行完之後，ax裏面的值是3，但是現在如果執行完
mov ax,1
mov bx,2
- 1
- 2
之後跳到
mov ax,100
mov bx,200
- 1
- 2
再跳到add ax,bx；那麼ax中的值就是300，很明顯不符合程序1的邏輯。因此爲了解決這個問題，操作系統給每個運行中的程序提供一個存放信息的結構：PCB（進程控制塊），這可不是PCB線路板哦；PCB是一種數據結構，存放的是程序跳轉時當前運行程序的信息，比如上面那個例子，在mov bx,2執行完了之後，ax，bx的值、下一條指令的執行地址都會被存在PCB中，等再次執行程序1的時候ax、bx的值仍然是1和2.
注意上面那段話中出現了一個概念：運行中的程序；這是什麼意思，如果程序在磁盤中沒有運行，那麼這種程序叫靜態程序，如果一個程序正在運行，那麼就叫運行中的程序。他們有什麼不一樣呢？
- 最直觀的一個在運行，一個沒在運行；
- 運行中的程序有開始和結束，因爲不一定會一直運行它；
- 運行中的程序還有一個PCB用來存儲當前程序的運行狀態，等等
既然這種運行中的程序與靜態程序有這麼多不一樣地方地方，那麼肯定需要一個概念來描述它，那就是“進程”。
小結一下
如何讓cpu工作？給它一個進程就好了；如何讓cpu高效率的工作？讓它“同時”執行多個程序就好了。
操作系統是如何支持多進程圖像的
多進程給上層用戶的感覺就是：同時啓動了多少個進程
操作系統只需要把這些進程記錄好，按照合理次序推進，讓用戶感覺這幾個進程同時在運行。
前面說過，main.c文件中有這樣兩行：
if (!fork())
{init();}
這個其實就是創建了第一個進程。就是創建第一個進程，在init中創建了shell，shell對應windows就是啓動了windows桌面。在shell中有如下一段代碼(init()中)：
int main(int argc,char*argv[])
{
while(1)
{
scanf("%s", cmd);
if(!fork())
{
exec(cmd);
}
wait();
}
}
大意就是：等待用戶輸入一個命令，然後創建一個進程，運行它，等待下一個命令的到來。直到關機。
如何證明cpu是多進程執行的？
打開任務管理器就好啦，同樣，任務管理器也是一個進程。
操作系統是怎麼支持多進程圖像的
1，操作系統是如何組織多進程的？
操作系統感知、組織進程全靠PCB。如何組織呢？在PCB這個結構體之上形成一些數據結構（隊列）；進程可能有幾種狀態，有正在執行的進程（運行態），有準備好了只等cpu來執行的進程（就緒態），有還缺少一些東西沒準備好在等待的進程（阻塞態）。操作系統可以通過進程對應的PCB來知道進程現在所處的狀態。根據進程的狀態轉化可以形成如下的進程狀態圖：
新建態表示進程剛創建出來時所處的狀態，終止態表示進程運行完之後所處的狀態。
箭頭表示操作系統的控制作用，操作系統通過控制進程所處的狀態來推進進程的運行；對進程進行管理。
根據PCB、狀態形成不同都隊列，放在不同的位置
2，操作系統如何交替（切換，非常複雜）？
後面會細講
包括調度和切換，調度是指從就緒隊列中選擇哪一個進程進入運行態。切換就是如何保留現場之後進入
新的進程，然後還能回來。
調度是一個很深刻的問題,本課程不會詳講，有很多算法問題；只會講FIFO：公平，但是沒有考慮進程執行
的任務的區別。Priority優先級：給每個任務設置優先級
切換：首先保留上一個進程的執行現場，就是將cpu裏面的東西保存在進程對應的PCB裏面；轉到另外一個進程
將進程PCB裏面的東西放到CPU裏面去；問題就是這些都要精細的控制，控制每個寄存器
3，多進程如何影響？
多個進程之間會相互影響，爲什麼會相互影響呢？因爲多個進程都是存放在內存上面的，如果進程A在執行的時候操作了進程B所在的內存，那麼當進程B運行的時候肯定會出問題呀，因此必須要避免。如何避免呢？對地址進行分離，
這是內存管理的內容，基本思路是給每一個進程都分配一個地址映射表，進程A中操作的地址經過映射表之後會映射到實際的物理地址，因爲每一個進程都有一個映射表（映射算法不同），所以不同進程代碼中相同的地址映射到的實際地址是不同的，也就是說進程中的地址可以一樣，因爲實際操作的地址不同呀。比如進程A中的[100]經過地址映射到物理地址是80，進程B經過地址映射表之後映射到的地址是20，這樣即使進程A和進程B中都操作了[100]這個地址也無所謂，因爲實際操作的地址是不一樣的。注意這個不是使用CPL和DPL來解決的，CPL和DPL只是用來區分用戶態和核心態的。