详解操作系统进程

一、基本概念

1.1 程序和进程

A program is a passive entiy,such as a file containing a list of instructions stored on disk(ofen called an executable file)

程序是一个存在磁盘上包含一系列指令的被动实体，程序只能被动加载到内存而不是主动加载
A program becomes a process when an executable file is loaded into memory

当程序的可执行文件加载进内存就变成了程序进程
A process is an active entity,with a program counter specifying the next instruction to execute an a set of associated resource

进程是一个活跃的实体，包含了一个指明下一条指令将要执行哪些相关资源的程序计数器(PC)，每个进程都有一个程序计数器

1.2 程序计数器(program counter)

程序计数器(PC)通常是一个CPU中的寄存器，里面存放下一条要执行指令的内存地址，在X86和Itanium微处理器中，它叫做指令指针(Instruction Point,IP)，有时又被称为指令寄存地址(instruction address register,IAR)、指令计数器
通常，CPU在取完一条指令之后会将PC寄存器的值加”1“，以计算下条要执行指令的地址。

1.3 Process In Memory

text：用于存放编译后的二进制代码
data：用于存放全局和静态(static修饰)变量
stack：栈用于存放局部变量、函数返回地址
heap：堆用于程序运行时的动态内存分配(malloc)

1.4 并发进程

Concurrency：the fact of two or more events or circumstances happening or existing at the same time

在同一时间，多个事件同时发生或存在
与”并行“的区别

并行：同一时间，多个事件同时运行(Running)(多个CPU)

并发：同一事件，多个事件同时发生或存在，但只能有一个可以运行(单个CPU)
进程并发的动机：多道程序设计

1.5 并发进程共享CPU

并发进程可能无法一次性执行完毕，会走走停停
一个进程在执行过程中可能被另一个进程替换占有CPU，这个过程称作”进程切换”

1.6 进程的定义

进程是一个程序的一次执行过程(一个程序可以启动多个进程，比如QQ)
- 能完成具体的功能
- 在某个数据集合上完成
- 执行过程是可并发的
进程是资源分配、保护和调度的基本单位

二、详解进程

2.1 进程状态

进程在执行期间自身的状态会发生变化，进程有三种基本状态，分别是：

运行态(Running)：此时进程的代码在CPU上运行
就绪态(Ready)：进程具备运行条件，但因为此时其他进程在CPU上运行而暂停运行，等待分配CPU时间片
等待态(Waiting)：进程等待某些事件的发生(比如IO操作结束或是一个信号)

进程除了在执行期间的这三种状态，还有初始化状态和终止状态

状态变迁图：

新创建的进程刚开始处于初始化状态
然后进程进入就绪状态，等待CPU时间片到达
CPU时间片达到后，进程处于运行状态
当发生中断时，进程又进入就绪状态；或者需要I/O等待事件时，进入阻塞状态(等待状态)
当I/O等待事件完成时，又处于就绪状态，重复上面步骤
当进程运行完成之后退出，变成终止状态

2.2 进程何时离开CPU

内部事件

进程主动放弃(yield)CPU，进入等待/终止状态

使用I/O设备，(非)正常结束
外部事件

进程被剥夺CPU使用权，进入就绪状态。这个动作叫抢占(preempt)

时间片到达，高优先级进程到达(分时系统)

2.3 中断

中断是指程序执行过程中

当某个事件发生时，中止CPU上现行程序的运行
引出该事件的处理程序执行(内核中运行)
执行完毕后返回原程序中断点继续执行

中断根据中断源又分为程序内部异常和外部事件中断

外中断：来自处理器之外的硬件中断信号

如时钟中断、键盘中断、外围设备中断
外部中断均是异步中断(随机)

内中断(Exception)： 来自处理器内部，指令执行过程中发生的中断，属同步中断

硬件异常：掉电、奇偶检验错误等
程序异常：非法操作、地址越界、断点、除数为0
系统调用

2.4 中断处理过程

当执行程序遇到内部异常或外部事件发生中断时，首先需要将该程序在内存中的所有数据保存至上下文信息(context)中
陷入内核，根据不同的中断源选择不同的处理程序，由内核完成中断程序
选择一个进程恢复并重新开始，恢复选择进程的上下文信息，然后恢复执行已选择的程序

2.5 特权指令和非特权指令

Privileged Instructions(特权指令)

只能在内核模式中运行的指令称为特权指令
- I/O指令和停止指令
- 关闭所有的中断
- 设置定时器(Timer)
- 进程切换
Non-Privileged Instructions(非特权指令)

只能在用户模式下运行的指令称为非特权指令
模式切换
- 中断是用户态向核心态转换的唯一途径！系统调用实质上也是一种中断。
- OS提供Load PSW装载用户进程返回用户状态

2.6 进程切换

切换时机

进程需要进入等待状态(主动)
进程被抢占CPU而进入就绪状态(被动)

切换进程

user mode -> kernel mode ->user mode

保存被中断进程的上下文信息(Context)
修改被中断进程的控制信息(如状态等)
将被中断的进程加入相应的状态队列
调度一个新的进程并恢复它的上下文信息

2.7 进程控制块

为了实现进程模型，操作系统维护着一张表格(一个结构数组)，即进程表，也称之为进程控制块(Process Control Block,PCB)，每个进程都有一个与之对应的PCB，该PCB包含了进程状态的重要信息，包括程序计数器、堆栈指针、内存分配情况、所打开的文件状态，以及其他在进程由运行态转换到就绪态或阻塞态时必须保存的信息，从而保证该进程随后能再次进入运行态运行，就像从未被中断过一样。

PCB包含的是进程的所有控制信息，加上前文所说的text、data、heap、stack数据就构成了进程在内存中的所有数据，即上下文信息(Context)

2.8 进程调度

进程在整个生命周期中，会在各个调度队列中迁移，由操作系统的一个调度器(scheduler)来执行

三、子进程

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char const *argv[])
{
	printf("Before fork processid:%d\n", getpid());
	fork();
	printf("After fork processid:%d\n",getpid());
	pause();

	return 0;
}