操作系统（三）进程

进程和线程的区别是老八股文了。这里要好好学习。

文章目录

1 进程综述

1.1 历史变化的角度

1.1.1 进程

我之前是做单片机的嘛，所以从我的经历来说。一开始是程序员直接录入裸机程序跑，那时候你的程序在cpu上需要直接跟周围IO设备交互，不需要经过io控制器。
后来逐步提取了公共程序，比如汇编器，以及简单的执行库。
类似DOS这种操作系统出现，多个程序要执行，那么这个时候，进程就是“执行或者可供调用的程序实体，负责管理对应程序的执行资源，比如CPU周期，内存，IO。

1.1.2 线程

后来大家发现进程之间通信起来，共享资源太重了，希望有轻量级的“进程”有独立的执行栈，但是共享代码跟数据段，甚至整个内存空间。方便快速的通信，于是有了线程的需求，这时候进程内部有了至少一个执行线程（），而同时对于内核调度，其实所有线程都会对接真正的CPU资源，这个负责执行的，就是所谓的内核线程，

1.1.3 协程

1.2 三者区别

进程是一个程序的被分配的资源，线程是cpu调度和执行的对象。
linus都说过这两个没有严格意义上的区别。
感觉实际使用的时候线程主要是为了省内存，协程省操作系统的调度开销

1.3 多线程与多进程

linux里的多线程，就是共享同一段内存的多个进程。

1.4 进程

一个进程可以被认为是一个正在执行的程序。一个进程将需要某些资源来完成它的任务，例如CPU的哪些周期给这个进程、内存、文件和I/O设备。这些资源是在进程创建或执行时分配给它的。

在大多数系统中，进程是工作单元。系统由一组进程组成:操作系统进程执行系统代码，用户进程执行用户代码。所有这些进程都可以并发执行。

尽管传统上一个进程在运行时只包含一个控制线程，但大多数现代操作系统现在支持具有多个线程的进程。

操作系统负责进程和线程管理的几个重要方面:创建和删除用户和系统进程;进程的调度;以及同步、通信和死锁处理机制的提供。

2 进程

2.1 概念

job VS process VS task: https://www.baeldung.com/cs/job-vs-task-vs-process
一个task组成多个job，某些情况下，task和process是一样的。

进程就是内存中执行的一个程序。启动new、就绪ready、运行run、等待wait和终止terminate五个步骤。
程序是磁盘上的一个可执行文件，当程序进入内存后，程序成为了一个进程。多个用户运行同一个程序，一个程序就成为了多个进程。

2.2 内存中的进程

2.3 进程控制块（PCB process control block）

进程控制块（Processing Control Block），是操作系统核心中一种数据结构，主要表示进程状态。 或者说，OS是根据PCB来对并发执行的进程进行控制和管理的。

• Process state – running, waiting, ready, new, terminated.
• Program counter – location of instruction to next execute
• CPU registers – contents of all process-centric registers
• Memory-management information – memory allocated to
  the process
• I/O status information – I/O devices allocated to process,
  list of open files
• CPU scheduling information- priorities, scheduling queue
  pointers
• Accounting information – CPU used, clock time elapsed
  since start, time limits

2.4 进程状态

这里可以跟随PPT的图片变化理解整个过程。

2.5 CPU进程切换

2.5.1 上下文切换

上下文切换是需要时间的，这断时间内，操作系统没干有意义的工作。时间和硬件有关系。这个时间是日常开销，无法省略。

2.6 Ready Queue And Various I/O Device Queues

现在的操作系统都是多线程，同时在内存中，等待cpu的调用。

ready queue: 放在内存中准备被cpu执行的进程队列

Process scheduler ： 从队列中选择进程交给cpu

Device queue / IO queue： 准备使用io设备的进程队列

2.6.1 进程在队列间的迁移（看pdf的图对应）

2.7 调度器（scheduler）

• ​​Short-term scheduler (or CPU scheduler)​​ – selects which process should be executed next and allocates CPU

• Sometimes the only scheduler in a system
• Short-term scheduler is invoked frequently (milliseconds) -> (must be fast)

• ​​Long-term scheduler (or job scheduler)​​ – selects which processes should be brought into the ready queue

• Long-term scheduler is invoked infrequently (seconds, minutes)  (may be
  slow)
• The long-term scheduler controls the degree of multiprogramming

• ​​Medium-term scheduler​​ can be added if degree of multiple programming needs to decrease

• Remove process from memory, store on disk, bring back in from disk to
  continue execution: swapping

2.7.1 IO绑定和CPU绑定

进程还可以分类为：

• I/O bound:进程会发出更多的I/O请求，（所以该进程的执行时间更受限于IO，所以叫IO绑定）
• CPU 绑定：进程更多去进行计算

2.8 进程操作

父进程创建子进程，形成进程树。

2.8.1 进程创建

• pid process identifier



• 上图需要看书和代码理解。P118

2.8.2 进程终止

进程自己通过exit()终止
父进程通过abort()终止子进程
Cascading Termination： 父进程终止，操作系统令所有子进程都终止。
父进程通过wait()等待子进程终止

orphan 进程：父进程终止，子进程还存在
zombie 进程：父进程没有使用wait()进程，不知道子进程已经终止

2.8.3 合作进程和独立进程Cooperating Processes independent process

合作进程需要进程间的通信interprocess communication (IPC)

• 共享内存是被用户进程所控制的，而不是操作系统。
  生产者：
  消费者：
• 信息传递：
  直接通信：经常是2个进程1个连接，双向的通信，互相发
  间接通信：通过邮箱，许多进程可以有一个连接

2.8.4 Client-Server Systems 通信

• pipes
• Sockets
• Remote Procedure Calls
• Remote Method Invocation (Java)
  了解管道
  unidirectional



• 命名管道