第四章—–进程

标签（空格分隔）： 操作系统之哲学原理

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进程概论

进程管理。内存管理和文件管理是操作系统的三大核心功能

什么是进程
就是一个程序加载到内存后就变成进程，进程=程序+执行；
进程让每一个用户感觉到自己独占CPU，因此进程就是为了在CPU上实现多道编程而出现的概念

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进程模型

• 物理层：每一个进程占用一片内存空间，因此这里看来进程就是内存的某片空间。但是在任意时刻一个CPU只能执行一条指令，进程也就只能有一个，到底执行哪一个进程由物理程序计数器指定，从物理层来说所有的进程共用一个程序计数器
• 逻辑层：每个进程可以执行，也可以挂起让别的进程执行，之后又接着执行。这样，进程就需要记住自己每次挂起时所处的位置。这样来说，在逻辑层来说每个进程都有自己的计数器，程序计数器可以有很多个
• 时间层：每个进程都必须向前推进。运行一段事件后都有一定的工作量。不能返回。

注意：进程不一定必须终结，事实上，很多的系统进程是不会终结的，除非强制终止和关机

进程模型的实现（抽象整个进程的工作过程）

对于操作系统来说，进程是提供的一种抽象，目的是通过并发来提高系统利用率，同时还能缩短系统响应时间。
首先需要一个物理基础。进程的物理基础就是程序，程序运行在计算机上就需要解决进程的存储：给进程分配内存，由于可以多个进程并行，考虑如何使他们共享一个物理内存不发生冲突，于是就需要内存管理。此外多个进程在CPU上的执行需要进行交接或者切换，就需要解决另一个问题：进程调度

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多道编程的好处

以前是理解错了，以为多个进程在同一时刻状态是可以同时执行的，其实不是这样的。假象是多个进程同时执行，但是是分时间轮流来的，同一时刻的CPU只能执行一个进程。多道编程的原理就是在一个进程使用完CPU后执行IO操作时就切换另一个进程，不会存在占着茅坑不拉屎的状态，于是就提高了CPU的利用率。当然道数的增加也是有限度的，叫做极限。超过这个极限之后，效果就会下降。

除了提高CPU的利用率外，更大的好处是改善了系统的响应时间，即用户的等待时间

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进程的产生与消亡

进程的产生有很多种情况，类比人类来说：

• 系统初始化（神创造人）
• 执行进程创立程序（人生子）
• 用户请求创立新进程（试管婴儿）

进程的消亡事件可以分为四种情况：

• 寿终：进程完成运行退出
• 自杀：进程因为错误而自行退出
• 他杀：进程被其他进程终止
• 处决：进程因异常而被强行终结

一般程序设计时追求的前两种。他杀：主要是父进程发出命令终止子进程。也可以一个用户杀死自己的进程，但是不能杀死别人的进程，只有超级用户才能杀死任何进程。处决：就是非法操作，例如除0或者访问出界。操作系统捕获到这种异常后终止造成异常的进程

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进程的层次结构

父进程创建子进程，子子孙孙就是所谓的进程树

进程的状态

第一个肯定是执行。
下面来分析挂起，注意的是挂起！=阻塞
引起挂起的原因有两种：

• 由于某种原因执行了阻塞操作，由于阻塞操作需要等待结果才能继续执行，于是这个进程就被操作系统挂起，让其他进程运转（自身原因）
• 一个进程执行的时间太长，为了公平，操作系统将其挂起，让其他进程也有机会执行。（操作系统原因）

因此将进程状态分为三种：执行，阻塞，就绪

在三种状态之间进行转换有6种情况：

• 执行—就绪
• 执行—阻塞
• 阻塞—就绪
• 就绪—阻塞
• 阻塞—执行（理论上可以，不过没有实际的价值而被操作系统禁止）
• 就绪—阻塞（不能）

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进程与地址空间

进程空间又叫地址空间。地址空间就是进程要用的所有资源。地址空间没有任何的动作。进程与地址空间的研究内容就是如何让多个进程共享一个物理内存。

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进程管理

操作系统要知道要管理的内容的所有信息

进程管理所需要的手段

操作系统用于维护进程记录的结构就是进程表或进程控制模块（Process Control Block)PCB，保持在操作系统所在的内核空间，这里面存放的是有关进程的全部资料。一般来说：信息包括寄存器，程序计数器，状态字，栈指针，优先级，进程ID,信号，创建时间，所耗的CPU时间等等。采纳的数据结构主要是线性表，链表和结构。当然也是可以使用树或图。

进程的创建过程（进程的产生过程）

1. 分配进程控制块
2. 初始化机器寄存器
3. 初始化页表
4. 将程序代码从磁盘读进内存
5. 将处理器状态设置为“用户态”
6. 跳转到程序的起始地址（设置程序计数器）

注意到：第五步是处理器状态已经被设为用户态，而第六步的跳转指令是需要在内核态下进行的。于是就是需要硬件来帮忙了。硬件必须将5，6步作为一个步骤同时完成。

进程在不同的操作系统的创建方法是不尽相同的，Windows和UNIX就有很大的不同，各有优缺点

进程管理要处理的问题

• 进程管理要处理的最大问题就是资源分配。希望所有的进程能够高兴的相处在一起。我们的本性还是追求公平的。
• 还有一个问题要考虑，就是最优。效率问题。每个进程分配同样的资源肯定不行。不如让一部分人先富起来，给他们优先的资源使用权。

公平与效率就成了进程管理中的永恒主题，天平的不同倾斜将引出不同的进程管理模式

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进程的缺陷

进程的好处：既提高了CPU的利用率，又缩短了系统的响应时间
进程的缺陷：只能在同一时间做一件事情。如果想同时做两件事情，进程就不够用了。
这里要注意区分的是：同时做两件事指的是在同一进程中，用两个进程分别做。从外部的角度来看，同时做两件事似乎事可以的。