操作系统之进程与线程1——进程概述

一、CPU管理、多进程概述

管理CPU时，引出 “进程、线程” 。

CPU如何操作呢？

• 给定指令的初始地址，CPU即会自动+1取指执行（取指、取数据）

对于含有IO指令和不含IO指令的一段程序，CPU的执行时间要查好几个量级，因为CPU在硬件电路上工作，速度特别快，IO指令在磁盘（磁臂——机械结构）工作，所以执行速度差好几个量级。——可以把CPU看做人，其他指令操作都看成要做的事情，因此就可以产生 等待、先做别的事不断检查、等等操作。

同时，利用多程序提高CPU利用率，即一个CPU交替执行多道程序：并发。

怎么实现并发？

• 要能在适当时间切出到另一个程序
• 并且能在适当时间切回原程序（所以要记录原程序的返回地址PC，寄存器内容等等，OS中用PCB存放信息。）

现实生活类比：

此处类似于看书时候被打断，再重新看的事件。

• 要记录打断之前的画面（PCB信息）。
• 只有正在看的书才需要记录画面，不看的书不需要记录，即运行的程序要记录，而静态程序不需要。——因此，需要描述概念不同的两个东西：运行程序和静态程序（存在磁盘中）：引入“进程”描述运行中的程序，而不同的进程状态（开始、等待、结束 ......）描述即用各自的PCB数据结构中。——多个程序同时运行，即并发就引入了“多进程”

总结：

OS管理CPU即要执行程序，而单道程序时CPU利用率太低，因此，使用多道程序同时运行（即并发），而程序的交替执行就需要记录运行中程序的样子，因此引入进程的概念。进程即是运行中的程序。

二、多进程

OS如何支持多进程？

• 操作系统感知进程和操作、组织多进程唯一依赖进程的唯一标识：PCB。

OS如何组织多进程？

• 以多个进程的PCB构成运行状态（一个进程）、就绪队列（万事俱备，只欠CPU）、磁盘等待队列（缺CPU之外的资源）。
• 而OS即对进程分为各个状态分别进行管理，进程在各个状态、各个进程之间切换，交替推进运行。

OS如何切换多个进程？

• 在切换之前保存现场信息（PCUR：PCB信息）
• schedule() 函数负责多进程切换——先从就绪队列中找到（进程调度算法！！）下一个进程pNEW（PCB），并进行从pCUR到pNEW的切换。

简单的进程调度？

——即找出下一个进程pNEW

• FIFO：各个进程之间绝对公平，未考虑进程执行的任务的区别；
• Priority：优先级如何设定？可能产生某些进程的饥渴问题

如何完成进程的切换？

• 将CPU中运行程序PCB保存至寄存器，并将下一个进程PCB输入CPU。
• 保存现场、切换至新进程必须写一段汇编代码，严格组织各个寄存器。

多进程交替执行时，如何相互影响？

——进程都存储在内存中，相互可能存在耦合，对于用户编程而言，都是在内存上操作，所以可能在进程1上修改进程2的内存数据。

因此，必须要限制一个进程对另外进程的地址的读写。

• 通过映射表，将多个进程操作地址映射到不同的物理内存中，使得进程相互之间不影响，内存管理部分内容。——可以看出内存管理也为多进程运行服务。
• 通过各个进程映射的不同物理内存实现 地址分离（内存分离）

总结：

进程管理+内存管理形成了多进程图像。

交替执行时多进程之间如何实现相互合作？

——生产者-消费者实例

构建缓冲区，并以counter做连接。

当多个进程同时对缓冲区操作，并且进程之间交替运行时，可能只运行每个进程的部分语句，可能产生缓冲区混乱。（建议：要实际演练一次程序运行）——生产者进程++，消费者进程--之后counter应为5，但程序交替执行出现错误。

如何做到合理推进进程运行（核心在于进程同步）？

• 在读/写counter时上锁，其他进程检查锁状态，s.t 必须满足一定条件才能进行进程切换，不允许任意切换。

总结：