第二部分 進(jìn)程概念

引入進(jìn)程的概念

一個(gè)操作系統(tǒng)必然是CPU和I/O設(shè)備協(xié)同工作的一個(gè)過程，如下圖：

CPU和I/O工作示意圖.png

圖上表明铛楣，當(dāng)I/O閑置時(shí)刀荒，CPU高速工作弱左，而當(dāng)I/O變?yōu)楦唠娖絾?dòng)時(shí)窄陡，CPU先等待然后等I/O設(shè)備啟動(dòng)后，CPU繼續(xù)完成其他的工作拆火。這一定程度上造成CPU的使用效率達(dá)不到100%跳夭。

最理想的多任務(wù)模型

示意圖.png

一個(gè)理想情況：

現(xiàn)在內(nèi)存里有兩個(gè)程序A和B。由電平上看们镜，A币叹，B程序也是一會(huì)執(zhí)行CPU指令，一會(huì)執(zhí)行I/O指令模狭。但如果搭配得當(dāng)颈抚，使得A程序執(zhí)行CPU指令時(shí)，B程序執(zhí)行I/O指令嚼鹉，協(xié)同搭配贩汉，就可以提高CPU的使用效率九妈，使得其不再等待。

進(jìn)程

進(jìn)程概念

An operating system executes（執(zhí)行） a variety of programs:

• Batch system - jobs
• Time-shared systems - user programs or tasks

為什么不能把程序稱之為進(jìn)程

• different data with same program
• different program with same data
  上面兩種實(shí)際上都是兩個(gè)進(jìn)程雾鬼。

進(jìn)程定義

Process - a program in execution;process execution must progress in sequential fashion

進(jìn)程有三個(gè)維度的要素：

1.是正在執(zhí)行的程序
2.進(jìn)程執(zhí)行的程序正在處理數(shù)據(jù)
3.進(jìn)程的狀態(tài)。靜止的程序是不運(yùn)行的程序宴树，但它不是一個(gè)進(jìn)程策菜。

進(jìn)程狀態(tài)遷移實(shí)例：

進(jìn)程狀態(tài)遷移實(shí)例.png

• 有五個(gè)基本狀態(tài)：new,ready（一切準(zhǔn)備就緒，只要CPU給指令就可以執(zhí)行）,waiting（進(jìn)程還未準(zhǔn)備好）,running,terminated（進(jìn)程結(jié)束執(zhí)行）.

PCB（進(jìn)程控制塊）

每一個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)PCB酒贬，是在內(nèi)存里面駐留的一對(duì)一的又憨，反映相應(yīng)進(jìn)程信息。

進(jìn)程通常與下列信息關(guān)聯(lián)：

• Process state
• Process number锭吨，進(jìn)程號(hào)蠢莺，必須嚴(yán)格控制每個(gè)進(jìn)程號(hào)不同，是一個(gè)正整數(shù)零如。
• Program counter（計(jì)算機(jī)中提供要從存儲(chǔ)器中取出的下一個(gè)指令地址的寄存器）
• CPU registers
• CPU scheduling information
• Memory-management information
• Accounting information
• I/O status information
• THAT SPECIFIC TO THE PROCESS（不會(huì)放到程序中去）

進(jìn)程管理：

總的來講躏将，一個(gè)進(jìn)程由一個(gè)PCB塊來控制。而進(jìn)程主要有三個(gè)狀態(tài)：就緒狀態(tài)考蕾，等待狀態(tài)和執(zhí)行狀態(tài)祸憋。三種狀態(tài)分別拉成鏈表中隊(duì)列的形式，里面分別有head指針和tail指針肖卧。
我們可以把他們看成就緒隊(duì)列蚯窥，等待隊(duì)列和執(zhí)行隊(duì)列。

Paste_Image.png

• 就緒的進(jìn)程全部放入一個(gè)隊(duì)列中塞帐。這樣的好處是當(dāng)我要執(zhí)行就緒進(jìn)程時(shí)我只需要關(guān)注這個(gè)隊(duì)列里的進(jìn)程就可以了拦赠，其他的進(jìn)程可以一概不管。
• 執(zhí)行隊(duì)列葵姥。假設(shè)只有單核CPU的狀態(tài)下荷鼠，則只有一個(gè)進(jìn)程或沒有（CPU空閑）在執(zhí)行。
• 等待隊(duì)列牌里。比較直觀的設(shè)計(jì)是颊咬，在等待同一個(gè)資源進(jìn)程的時(shí)候，這些進(jìn)程組成一個(gè)隊(duì)列牡辽。如圖tape,disk,terminal三種不同資源組成三個(gè)隊(duì)列喳篇。

思考：操作系統(tǒng)的管理實(shí)際就是把PCB從一個(gè)隊(duì)列放入另外一個(gè)隊(duì)列（遷移）。相當(dāng)于是管理不同的進(jìn)程隊(duì)列态辛。

進(jìn)程調(diào)度隊(duì)列麸澜，動(dòng)態(tài)反應(yīng)操作系統(tǒng)全貌

• Job queue — 等待進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的待處理任務(wù)
• Ready queue — 駐留內(nèi)存，準(zhǔn)備就緒奏黑，等待CPU
• Device queues — 等待I/O設(shè)備的進(jìn)程隊(duì)列

進(jìn)程是如何在隊(duì)列中遷移的

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• 這個(gè)圖強(qiáng)調(diào)Ready queue炊邦，當(dāng)進(jìn)程拿到CPU后编矾，進(jìn)程離開Ready queue，進(jìn)入執(zhí)行隊(duì)列馁害。執(zhí)行進(jìn)程不可能一直占用CPU窄俏，因?yàn)槌绦虮旧沓艘獔?zhí)行，還需要執(zhí)行I/O操作碘菜。當(dāng)執(zhí)行I/O操作時(shí)凹蜈，它需要被轉(zhuǎn)移到其他的I/O請(qǐng)求的隊(duì)列里去，從而與外部設(shè)備進(jìn)行連接（如第二行）忍啸，當(dāng)做完I/O操作以后仰坦，繼續(xù)進(jìn)入ready queue。
• time slice expired為時(shí)間片计雌，它可以強(qiáng)制剝奪進(jìn)程的CPU使用權(quán)（時(shí)間片用完）悄晃。但之后由于它擁有資源，所以還會(huì)立馬轉(zhuǎn)入ready queue等待下一次獲取CPU凿滤。
• 第四行則為一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建了一個(gè)子進(jìn)程妈橄。等子進(jìn)程做完以后，才可以喚醒進(jìn)程鸭巴。它有一個(gè)等待狀態(tài)眷细。它等待的資源不是I/O資源，而是等待子進(jìn)程結(jié)束鹃祖。
• 第五行為進(jìn)程需要等待一個(gè)中斷信號(hào)產(chǎn)生溪椎。中斷信號(hào)發(fā)生，則可以進(jìn)入ready queue恬口。

進(jìn)程上下文切換（Context Switch）

• CPU任何時(shí)候只能為一個(gè)進(jìn)程服務(wù)
• 當(dāng)CPU轉(zhuǎn)向?yàn)榱硪粋€(gè)進(jìn)程服務(wù)時(shí)校读，由于CPU內(nèi)部資源（內(nèi)部寄存器）有限，它必須保存原有（轉(zhuǎn)換前）進(jìn)程的狀態(tài)祖能，裝入待服務(wù)（轉(zhuǎn)換后）進(jìn)程的狀態(tài)歉秫，也即“進(jìn)程上下文切換”
• “狀態(tài)”指寄存器、標(biāo)志位养铸、堆棧等當(dāng)前值雁芙。
• 上下文切換時(shí)間是一種額外開銷（overhead），因?yàn)槠陂gCPU不做對(duì)用戶進(jìn)程直接有益的事钞螟。
• 上下文切換時(shí)間決定于CPU硬件支持力度兔甘。

進(jìn)程操作

進(jìn)程創(chuàng)建

• 父進(jìn)程創(chuàng)建若干子進(jìn)程，后者再創(chuàng)建其子進(jìn)程鳞滨，以此類推洞焙，構(gòu)成了反映“傳承”關(guān)系的一顆進(jìn)程樹。進(jìn)程的運(yùn)行實(shí)際上就是進(jìn)程樹的運(yùn)行。
• 子進(jìn)程的資源分配類型
  1.子進(jìn)程共享父進(jìn)程的所有資源（UNIX）
  2.子進(jìn)程共享父進(jìn)程的部分資源
  3.子進(jìn)程不從父進(jìn)程共享資源澡匪，重新獨(dú)立申請(qǐng)
• 執(zhí)行代碼的執(zhí)行順序
  1.父進(jìn)程和子進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行
  2.父進(jìn)程在子進(jìn)程執(zhí)行期間等待熔任，待子進(jìn)程執(zhí)行完畢后才恢復(fù)執(zhí)行余下代碼

創(chuàng)建進(jìn)程分三步：
1.申請(qǐng)PCB空間，分配一個(gè)指向PCB的指針唁情。
2.申請(qǐng)一個(gè)唯一的PID號(hào)即進(jìn)程號(hào)疑苔。
3.對(duì)PCB空間每一個(gè)單元賦值。

以UNIX為例進(jìn)行進(jìn)程創(chuàng)建

地址空間中的image

• 子進(jìn)程Duplicate父進(jìn)程的image甸鸟。
  解釋一下Duplicate：創(chuàng)建一個(gè)與原來進(jìn)程幾乎完全相同的進(jìn)程夯巷，也就是兩個(gè)進(jìn)程可以做完全相同的事，但如果初始參數(shù)或者傳入的變量不同哀墓，兩個(gè)進(jìn)程也可以做不同的事。
  也即Linux中的fork（）函數(shù)喷兼。
• UNIX的進(jìn)程創(chuàng)建中篮绰，fork系統(tǒng)首先先創(chuàng)建一個(gè)新的（子）進(jìn)程，fork之后季惯，exec系統(tǒng)調(diào)用裝入一個(gè)新程序吠各。

UNIX環(huán)境里創(chuàng)建子進(jìn)程.png

• 父進(jìn)程fork（）一個(gè)子進(jìn)程，子進(jìn)程繼承了父進(jìn)程所有的資源勉抓。
• 但往往子進(jìn)程不想要父進(jìn)程的資源贾漏，所以調(diào)用system call函數(shù)exec（）裝進(jìn)自己新的程序。
• 當(dāng)子進(jìn)程發(fā)送了exit（）藕筋，即中止信號(hào)返回給父進(jìn)程纵散，父進(jìn)程結(jié)束wait狀態(tài)，進(jìn)入就緒隊(duì)列隐圾。

一個(gè)具體代碼：

操作系統(tǒng)代碼.png

• 代碼首先定義Pid類型伍掀，此時(shí)只有一個(gè)進(jìn)程，定義了一個(gè)Pid的局部變量暇藏。
• 調(diào)用fork（）創(chuàng)建子進(jìn)程蜜笤。按照Linux的做法，子進(jìn)程完全繼承父進(jìn)程的一切盐碱。子進(jìn)程和父進(jìn)程唯一不同的是PID號(hào)把兔，同時(shí)兩個(gè)進(jìn)程相互獨(dú)立，子進(jìn)程獨(dú)立執(zhí)行execlp（）瓮顽。
• fork（）在返回過程中县好，父進(jìn)程返回值是一個(gè)非0正整數(shù)，而這個(gè)正整數(shù)為子進(jìn)程的PID號(hào)趣倾。而子進(jìn)程的返回值為0聘惦，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，fork返回一個(gè)負(fù)值。
• Pid_t pid在子進(jìn)程不執(zhí)行善绎。因?yàn)楦高M(jìn)程已經(jīng)定義過PID號(hào)黔漂，子進(jìn)程無需重新定義。
• 最后一個(gè)else父進(jìn)程調(diào)用wait之后會(huì)一直阻塞禀酱，等待子進(jìn)程結(jié)束炬守，父進(jìn)程wait一旦返回則表示子進(jìn)程所有資源已經(jīng)被回收。

進(jìn)程終止

進(jìn)程終止語(yǔ)義之一：

子進(jìn)程執(zhí)行完最后一條指令后剂跟，要求操作系統(tǒng)將自己彈出（exit）减途。語(yǔ)義動(dòng)作含：

• 子進(jìn)程傳遞數(shù)據(jù)給父進(jìn)程（通過父進(jìn)程的wait操作）。
• 子進(jìn)程的資源被操作系統(tǒng)收回曹洽。

進(jìn)程終止語(yǔ)義之二：

父進(jìn)程終止子進(jìn)程的執(zhí)行鳍置。有很多原因，一般情況下是子進(jìn)程沒有執(zhí)行完畢就被終止了送淆。
問題：如果父進(jìn)程終止了税产，它的子進(jìn)程怎么辦？
結(jié)論：有些操作系統(tǒng)把這些子進(jìn)程也全部終止（All children terminated - cascading）偷崩。

進(jìn)程間合作

• 獨(dú)立進(jìn)程不會(huì)影響其它進(jìn)程的執(zhí)行辟拷，也不被影響。
• 合作進(jìn)程影響其它進(jìn)程阐斜，或者受其影響衫冻。
• 進(jìn)程間合作是必須的。如共享信息谒出，加速執(zhí)行任務(wù)隅俘，模塊化，方便調(diào)用等笤喳。

經(jīng)典案例：生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題

• 生產(chǎn)者進(jìn)程“生產(chǎn)”出信息考赛，存儲(chǔ)在緩沖區(qū)，供消費(fèi)者進(jìn)程“消費(fèi)”莉测。即生產(chǎn)者消費(fèi)者共享緩沖區(qū)颜骤。

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我們討論bounded buffer情況，即緩沖區(qū)數(shù)量有限的情況捣卤。此時(shí)考慮：

• 如果緩沖區(qū)為空忍抽，那么消費(fèi)者無法消費(fèi)，無法從緩沖區(qū)取東西董朝。必須等待鸠项。
• 如果緩沖區(qū)滿了，那么生產(chǎn)者無法生產(chǎn)子姜。生產(chǎn)的東西放不進(jìn)緩沖區(qū)祟绊。

故兩者需要相互關(guān)聯(lián)。

Interprocess Communication（IPC）

進(jìn)程間通信IPC，提供一套進(jìn)程通信牧抽、進(jìn)程同步的機(jī)制嘉熊。
消息系統(tǒng) — 進(jìn)程間相互通信的途徑，不需要有共享變量的介入扬舒。

IPC機(jī)制有2個(gè)最基本的進(jìn)程操作：

• send（message）
• receive（message）

變種：

• send（P,message）— 直接發(fā)給進(jìn)程P
• receive（Q阐肤，message）— 直接接受來自進(jìn)程Q的消息。

變種：Indirect Communication

• send（A,message）讲坎，A是郵件服務(wù)器孕惜。
• receive （A,message）。

★★同步通信VS異步通信

同步通信：

• 發(fā)送操作send：發(fā)送進(jìn)程等待晨炕，直至接受進(jìn)程確認(rèn)收到消息衫画。
• 接受操作receive：接受進(jìn)程等待，直至有個(gè)消息到達(dá)瓮栗。

異步通信：

• 發(fā)送操作send：發(fā)送進(jìn)程發(fā)出消息后立即返回碧磅，該干什么干什么，不理會(huì)消息是否送達(dá)遵馆。
• 接受操作receive：接受進(jìn)程執(zhí)行一次接受動(dòng)作，要么收到一條有效信息丰榴，要么收到空消息货邓。

舉例：TCP/IP

• TCP一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送以后必須等待接受進(jìn)程確認(rèn)收到消息，因此它較為可靠四濒。
• IP包發(fā)出去后换况，立即返回。因此其通信性能好盗蟆，速度快戈二。

進(jìn)程之間相互通信表明這些進(jìn)程為協(xié)同進(jìn)程。