操作系统之进程篇(1)

1.进程介绍:

  1.1 进程模型:

       进程是一个程序的实际执行，包含了程序计数器的状态，寄存器和变量等等！ 程序可以看成是一个状态的序列，程序在不同时刻呈现出不同的状态，而这种状态的前后交替过程可以看成是程序的执行过程。概念上来说，每个程序有自己的虚拟CPU，但在现实中CPU在不同的进程间来回切换，又称这种切换为伪并行！

       进程和程序差别看似微小，实际上却是十分精妙; 可以将计算机执行程序的过程看成一次有趣的烹饪过程。食谱就是程序，厨师就是CPU，而食材是输入，得到的输出是鲜美可口的美食。

当厨师在做菜的过程中，他的儿子突然跑进来说："Daddy! Please help me! I was stung by a bee! wu wu...". 那么这个厨师当然要放下手头的工作，记录下当前工作的进度，然后迅速去找来医疗箱位儿子展开救治。当儿子的伤好了之后，厨师又回到厨房继续其烹饪。哈哈！多么形象的多进程执行比喻！

   进程和程序的本质区别在于进程是个动态的过程，它包含程序，输入，输出和一组状态。多个进程可以共享单个处理器，使用某种进程调度算法来停止一个程序的执行，开始另外一个进程的执行。

   1.2 进程层次:

   进程可以创建一系列其他进程，每个进程最多只有一个父进程，却可以有0个，1个或多个子进程。

   所以一类相关进程可以形成一颗进程树：

 

   1.3 进程状态:

   常见的进程的三种状态: 

   1) running (actually using the cpu at that instant);

   2) ready (runnable, temporarily stopped to let another process run)

   3) Blocked(waiting) (unable to run until some external event happen)

上图显示了不同进程状态进程之间的转换规则：

running ----I/O or event wait----> waiting:  进程由于等待I/O和信号而不能再进行下去，在一些系统中，进程需要调用BLOCK系统调用以进入waiting状态。

ready 和 running 状态之间的转化是由进程调度器造成的：

    a) 当进程调度器认为一个进程的运行时间已经足够长的时候，该是让其他进程运行的时候了，那么调度器就会让当前执行的进程转为ready状态。

    b) 当ready进程ready时间足够长了之后，可被宠重新调度运行。进程调度算法要综合考虑系统的效率和兼顾每个进程的公平考量。

waiting ----I/O or event completion ---> ready: 当进程等待的某个事件得到满足的时候，那么这个进程由waiting状态转换到ready状态，等待进程调度器的调度执行。

 

   1.4 进程的实现:

   为了实现进程模型，操作系统维持一张进程表(process table): 每个表项表示一个进程。每个表项包括的信息是：

   进程状态(state),程序计数器(program counter),栈指针(stack pointer),内存分配，打开文件的状态，记录和调度信息。保存所有这一切信息的目的就是为了当恢复一个waiting进程的执行时让其感觉其为被susbended一样。在实际的系统中，进程表可以被划分成不同的区域，每个区域作为一个特定的模块来实现不同的功能。一个常见的划分是将划分成"进程管理"，"内存管理"，"文件管理三个模块"。

   当一个中断发生时操作系统底层执行的动作:

   a) 硬件在栈中保存程序计数器;

   b) 硬件从中断向量表中加载中断程序的程序计数器;

   c) 汇编语言程序保存当前寄存器的状态;

   d) 汇编语言程序创建新才中断程序的栈;

   e) C中断程序开始运行（一般是读取和buffer输入）

   f) 中段程序执行完成之后，调度器将当前进程从wait状态转换成ready状态;

   g) 调度器决定下一个要执行的进程;

 

 

   1.5 线程的概念:

    在传统的进程中，每个进程中只有一个控制流程和一个程序计数器。在现代操纵系统中，每个进程中可以存在多个控制流，这样的每个控制流叫做一个线程，抑或称为一个"轻量级进程"。 

注意进程之间并不共享同一个地址空间，每个进程都是在自己独立的地址空间中作业。所以一个进程如何执行都不会破坏另一个进程的内存空间; 而同一个进程中的

线程则要共享这个进程的内存空间。 当一个进程中有很多线程并行时，需要为这些线程建立一个线程表，一个表项包含程序计数器，寄存器和状态。可见，线程的确

就是轻量化的线程！

在有些操作系统中，操作系统是感受不到线程的存在的，也就是说对线程的管理基本上是在用户空间中进行的。（这是一种值得推荐的方式）

而在另外一些操作系统中，操作系统管理每个进程中的每个线程，像进程一样，系统要维持一张线程表。