操作系统之进程详解笔记

• 进程

操作系统中最核心的概念就是 进程，进程是对正在运行中的程序的一个抽象。操作系统的其他所有内容都是围绕着进程展开的。进程是操作系统提供的最古老也是最重要的概念之一。即使可以使用的 CPU 只有一个，但它们也支持（伪）并发操作。它们会将一个单独的 CPU 变换为多个虚拟机的 CPU。没有进程的抽象，现代操作系统将不复存在。

在许多多道程序系统中，CPU 会在进程间快速切换，使每个程序运行几十或者几百毫秒。然而，严格意义来说，在某一个瞬间，CPU 只能运行一个进程，然而我们如果把时间定位为 1 秒内的话，它可能运行多个进程。这样就会让我们产生并行的错觉。有时候人们说的 伪并行(pseudoparallelism) 就是这种情况，以此来区分多处理器系统(该系统由两个或多个 CPU 来共享同一个物理内存)

伪并行：伪并行是指单核或多核处理器同时执行多个进程，从而使程序更快。通过以非常有限的时间间隔在程序之间快速切换CPU，因此会产生并行感。缺点是时间可能分配给下一个进程，也可能不分配给下一个进程。

我们很难对多个并行进程进行跟踪，因此，在经过多年的努力后，操作系统的设计者开发了用于描述并行的一种概念模型（顺序进程），使得并行更加容易理解和分析，对该模型的探讨，也是本篇文章的主题

 

• • 进程模型

在进程模型中，所有计算机上运行的软件，通常也包括操作系统，被组织为若干顺序进程(sequential processes)，简称为 进程(process) 。一个进程就是一个正在执行的程序的实例，进程也包括程序计数器、寄存器和变量的当前值。从概念上来说，每个进程都有各自的虚拟 CPU，但是实际情况是 CPU 会在各个进程之间进行来回切换。

 

如上图所示，这是一个具有 4 个程序的多道处理程序，在进程不断切换的过程中，程序计数器也在不同的变化。

 

在上图中，这 4 道程序被抽象为 4 个拥有各自控制流程（即每个自己的程序计数器）的进程，并且每个程序都独立的运行。当然，实际上只有一个物理程序计数器，每个程序要运行时，其逻辑程序计数器会装载到物理程序计数器中。当程序运行结束后，其物理程序计数器就会是真正的程序计数器，然后再把它放回进程的逻辑计数器中。

从下图我们可以看到，在观察足够长的一段时间后，所有的进程都运行了，但在任何一个给定的瞬间仅有一个进程真正运行。

 

 

我们假设只有一个 CPU 的情形。当然，这个假设通常放到现在不会存在了，因为新的芯片通常是多核芯片，包含 2 个、4 个或更多的 CPU。但是现在，一次只考虑一个 CPU 会便于我们分析问题。因此，当我们说一个 CPU 只能真正一次运行一个进程的时候，即使有 2 个核（或 CPU），每一个核也只能一次运行一个线程。

由于 CPU 会在各个进程之间来回快速切换，所以每个进程在 CPU 中的运行时间是无法确定的。并且当同一个进程再次在 CPU 中运行时，其在 CPU 内部的运行时间往往也是不固定的。进程和程序之间的区别是非常微妙的，但是通过一个例子可以让你加以区分：想想一位会做饭的计算机科学家正在为他的女儿制作生日蛋糕。他有做生日蛋糕的食谱，厨房里有所需的原谅：面粉、鸡蛋、糖、香草汁等。在这个比喻中，做蛋糕的食谱就是程序、计算机科学家就是 CPU、而做蛋糕的各种原谅都是输入数据。进程就是科学家阅读食谱、取来各种原料以及烘焙蛋糕等一系例了动作的总和。

现在假设科学家的儿子跑过来告诉他，说他的头被蜜蜂蜇了一下，那么此时科学家会记录出来他做蛋糕这个过程到了哪一步，然后拿出急救手册，按照上面的步骤给他儿子实施救助。这里，会涉及到进程之间的切换，科学家（CPU）会从做蛋糕（进程）切换到实施医疗救助（另一个进程）。等待伤口处理完毕后，科学家会回到刚刚记录做蛋糕的那一步，继续制作。

这里的关键思想是认识到一个进程所需的条件，进程是某一类特定活动的总和，它有程序、输入输出以及状态。单个处理器可以被若干进程共享，它使用某种调度算法决定何时停止一个进程的工作，并转而为另外一个进程提供服务。另外需要注意的是，如果一个进程运行了两遍，则被认为是两个进程。

 

• • 进程的创建

操作系统需要一些方式来创建进程。在非常简单的系统中，或者操作系统被设计用来运行单个应用程序（例如微波炉中的控制器），可能在系统启动时，也需要所有的进程一起启动。但在通用系统中，然而，需要有某种方法在运行时按需创建或销毁进程，现在需要考察这个问题，下面是创建进程的方式

• • • 系统初始化
    • 正在运行的程序执行了创建进程的系统调用（比如 fork）
    • 用户请求创建一个新进程
    • 初始化一个批处理工作

启动操作系统时，通常会创建若干个进程。其中有些是前台进程(numerous processes)，也就是同用户进行交互并替他们完成工作的进程。一些运行在后台，并不与特定的用户进行交互，但是后台进程也有特定的功能。例如，设计一个后台进程来接收发来的电子邮件，这个进程大部分的时间都在休眠但是只要邮件到来后这个进程就会被唤醒。还可以设计一个后台进程来接收对该计算机上网页的传入请求，在请求到达的进程唤醒来处理网页的传入请求。进程运行在后台用来处理一些活动像是 e-mail，web 网页，新闻，打印等等被称为 守护进程(daemons)。大型系统会有很多守护进程。在 UNIX 中，ps 程序可以列出正在运行的进程， 在 Windows 中，可以使用任务管理器。

最后一种创建进程的情形会在大型机的批处理系统中应用。用户在这种系统中提交批处理作业。当操作系统决定它有资源来运行另一个任务时，它将创建一个新进程并从其中的输入队列中运行下一个作业。

从技术上讲，在所有这些情况下，让现有流程执行流程是通过创建系统调用来创建新流程的。该进程可能是正在运行的用户进程，是从键盘或鼠标调用的系统进程或批处理程序。这些就是系统调用创建新进程的过程。该系统调用告诉操作系统创建一个新进程，并直接或间接指示在其中运行哪个程序。

 

• • 进程的终止

进程在创建之后，它就开始运行并做完成任务。然而，没有什么事儿是永不停歇的，包括进程也一样。进程早晚会发生终止，但是通常是由于以下情况触发的

• • 正常退出（自愿）
  • 错误退出（自愿）
  • 严重错误（非自愿）
  • 被其他进程杀死（非自愿）

多数进程是由于完成了工作而终止。当编译器完成了所给定程序的编译之后，编译器会执行一个系统调用告诉操作系统它完成了工作。这个调用在 UNIX 中是 exit ，在 Windows 中是 ExitProcess。面向屏幕中的软件也支持自愿终止操作。字处理软件、Internet 浏览器和类似的程序中总有一个供用户点击的图标或菜单项，用来通知进程删除它锁打开的任何临时文件，然后终止。

 

• • 进程的层次结构

在一些系统中，当一个进程创建了其他进程后，父进程和子进程就会以某种方式进行关联。子进程它自己就会创建更多进程，从而形成一个进程层次结构。

 

• • 进程状态

尽管每个进程是一个独立的实体，有其自己的程序计数器和内部状态，但是，进程之间仍然需要相互作用。一个进程的结果可以作为另一个进程的输入。

当一个进程在逻辑上无法继续运行时，它就会被阻塞，比如进程在等待可以使用的输入。还有可能是这样的情况：由于操作系统已经决定暂时将 CPU 分配给另一个进程，因此准备就绪的进程也有可能会终止。导致这两种情况的因素是完全不同的：

• • 第一种情况的本质是进程的挂起，你必须先输入用户的命令行，才能执行接下来的操作。
  • 第二种情况完全是操作系统的技术问题：没有足够的 CPU 来为每个进程提供自己私有的处理器。

当一个进程开始运行时，它可能会经历下面这几种状态（下图为进程间的状态切换图）

图中会涉及三种状态

• • 运行态，运行态指的就是进程实际占用 CPU 运行时
  • 就绪态，就绪态指的是可运行，但因为其他进程正在运行而终止
  • 阻塞态，除非某种外部事件发生，否则进程不能运行

逻辑上来说，运行态和就绪态是很相似的。这两种情况下都表示进程可运行，但是第二种情况没有获得 CPU 时间分片。第三种状态与前两种状态不同是因为这个进程不能运行，CPU 空闲或者没有任何事情去做的时候也不能运行。

三种状态会涉及四种状态间的切换，在操作系统发现进程不能继续执行时会发生状态1的轮转，在某些系统中进程执行系统调用，例如 pause，来获取一个阻塞的状态。在其他系统中包括 UNIX，当进程从管道或特殊文件（例如终端）中读取没有可用的输入时，该进程会被自动终止。

转换 2 和转换 3 都是由进程调度程序（操作系统的一部分）引起的，而进程甚至不知道它们。转换 2 的出现说明进程调度器认定当前进程已经运行了足够长的时间，是时候让其他进程运行 CPU 时间片了。当所有其他进程都运行过后，这时候该是让第一个进程重新获得 CPU 时间片的时候了，就会发生转换 3。

当进程等待的一个外部事件发生时（如一些输入到达），则发生转换 4。如果此时没有其他进程在运行，则立刻触发转换 3，该进程便开始运行，否则该进程会处于就绪阶段，等待 CPU 空闲后再轮到它运行。

使用进程模型，会让我们更容易理解操作系统内部的工作状况。一些进程运行执行用户键入的命令的程序。另一些进程是系统的一部分，它们的任务是完成下列一些工作：比如，执行文件服务请求，管理磁盘驱动和磁带机的运行细节等。当发生一个磁盘中断时，系统会做出决定，停止运行当前进程，转而运行磁盘进程，该进程在此之前因等待中断而处于阻塞态。这样可以不再考虑中断，而只是考虑用户进程、磁盘进程、终端进程等。这些进程在等待时总是处于阻塞态。在已经读如磁盘或者输入字符后，等待它们的进程就被解除阻塞，并成为可调度运行的进程。

从上面的观点引入了下面的模型

（基于进程的操作系统中最底层的是中断和调度处理，在该层之上是顺序调度）

操作系统最底层的就是调度程序，在它上面有许多进程。所有关于中断处理、启动进程和停止进程的具体细节都隐藏在调度程序中。事实上，调度程序只是一段非常小的程序。

程序调度指的是，决定哪个进程优先被运行和运行多久，这是很重要的一点。已经设计出许多算法来尝试平衡系统整体效率与各个流程之间的竞争需求。

 

• • 进程的实现

我们之前提过，操作系统为了执行进程间的切换，会维护着一张表格，即 进程表(process table)。每个进程占用一个进程表项。该表项包含了进程状态的重要信息，包括程序计数器、堆栈指针、内存分配状况、所打开文件的状态、账号和调度信息，以及其他在进程由运行态转换到就绪态或阻塞态时所必须保存的信息，从而保证该进程随后能再次启动，就像从未被中断过一样。

所有的中断都从保存寄存器开始，对于当前进程而言，通常是保存在进程表项中。随后，会从堆栈中删除由中断硬件机制存入堆栈的那部分信息，并将堆栈指针指向一个由进程处理程序所使用的临时堆栈。一些诸如保存寄存器的值和设置堆栈指针等操作，无法用 C 语言等高级语言描述，所以这些操作通过一个短小的汇编语言来完成，通常可以供所有的中断来使用，无论中断是怎样引起的，其保存寄存器的工作是一样的。

当中断结束后，操作系统会调用一个 C 程序来处理中断剩下的工作。在完成剩下的工作后，会使某些进程就绪，接着调用调度程序，决定随后运行哪个进程。随后将控制权转移给一段汇编语言代码，为当前的进程装入寄存器值以及内存映射并启动该进程运行，下面显示了中断处理和调度的过程。

• • 硬件压入堆栈程序计数器等
  • 硬件从中断向量装入新的程序计数器
  • 汇编语言过程保存寄存器的值
  • 汇编语言过程设置新的堆栈
  • C 中断服务器运行（典型的读和缓存写入）
  • 调度器决定下面哪个程序先运行
  • C 过程返回至汇编代码
  • 汇编语言过程开始运行新的当前进程

一个进程在执行过程中可能被中断数千次，但关键每次中断后，被中断的进程都返回到与中断发生前完全相同的状态。