Processes

进程的概念

Process—正在执行的程序;流程执行必须以顺序方式进行

• A process includes:
  1. text section (code)：存储代码
  2. data section (global vars)：存储全局变量、静态变量
  3. stack (function parameters, local vars, return addresses)：栈，存储一些临时的数据，如函数传参、返回值、局部变量等
  4. heap (dynamically allocated memory)：被动态分配的内存
  5. program counter

  

为什么stack核heap不往同一个方向增长

不够灵活，中间未被利用的内存可以被stack用也可以被heap用，提高了利用率。
tips：中间的部分称为hole，是一个“巨大的洞”，比图中展示的还要大的多。但实际上它只是虚拟的映射，只有当需要的时候才会转化成实际的内存。

• process的state：
  1. new: The process is being created,正在被创建的过程当中
  2. running: Instructions are being executed
  3. ready: The process is waiting to be assigned to a processor (loaded into main memory)
  4. waiting/blocked: The process is waiting/blocked for some event to occur
  5. terminated: The process has finished execution即将被抹除前的状态

  状态转换图：
  

  !!! example "一个例子🌰"
  1. 运动员：Process:
  号码簿：Process ID
  2. 跑道：CPU core
  1. 每条跑道只能有一个运动员
  2. 运动场可以有一条/多条跑道
  3. 跑步：Running
  1. 允许打水喝
  2. 接受调度，让出跑道
  3. 离场地点必须记录以便继续
  4. 口渴下场喝水：Wait I/O
  1. 打水过程运动员处于wait状态，直到喝完才能返回运动场
  2. 打水很慢，其他人也打水
  5. 等待上跑道: Ready 状态

• Process Control Block：Information associated with each process
  1. Process state：进程的状态
  2. Program counter：标识该进程跑到了哪里，由于进程是动态的，每一被切换都需要保证下一次能无缝衔接之前的进度，所以需要存储每次的工作状态
  3. Contents of CPU registers：保存进程相关的寄存器信息
  4. CPU scheduling information：CPU 调度参考的信息，包括优先级、调度队列的指针、调度参数等
  5. Memory-management information：包括页表、段表等信息，具体与实现的内存系统有关
  6. Accounting information：一些关于进程的动态数据的统计和记录，比如总共已经跑了多久、时间限制、进程号等
  7. I/O status information：被分配给进程的 I/O 设备列表、打开的文件列表等

  

先存储PCB0，再把CPU资源分配给其他进程，把PCB1加载进来，I/O做完后，会给CPU发送一个中断，CPU会处理这个中断，会把PCB1的资源存储下来，再把PCB0（处在归零状态）的状态置成“ready”，再让他进入进程队列中，最后把PCB0 load 进来，继续执行。
其中蓝色部分是CPU实际使用的时间

因此我们需要CPU的合理调度，不能让CPU换进来后很快换出，这样十分消耗资源。

Process Scheduling

Job queue：系统中所有进程的集合

Ready queue：驻留在主存中的所有进程的集合，准备就绪并等待执行

Device queues：等待I/O设备的一组进程

进程在各个队列之间迁移,基本结构如下：一个进程不可以同时在两个queue中排队

实际实现中，由于等待的 I/O 或事件不同，可能维护多个等待队列，于是实际过程中的情况可能如下：

Scheduler调度器

1. Long-term scheduler(or job scheduler)：选择应该将哪些进程放入内存(就绪队列)
2. Short-term scheduler(or CPU scheduler)：选择下一个应该执行的进程并分配CPU

非常频繁地调用Short-term scheduler(毫秒)(必须很快)，快到体感上两个程序同时执行（分时操作系统中涉及的目标）

很少调用Long-term scheduler(秒、分钟)(可能很慢)

Long-term scheduler控制 Multiprogramming 的 degree

• 过程：
  1. I/O绑定进程：花在I/O上的时间较多;有很多短的CPU爆发

    >下载
  

  2. cpu绑定进程：花在CPU上的时间较多;很少有长的CPU爆发

    >打游戏，科学计算
  

• Medium Term Scheduling:比CPU要慢，做一个暂时性的托管，涉及到磁盘的调度操作，不能做频繁的操作
  

• Context Switch 上下文切换：
  1. 当CPU切换到其他进程时，系统必须保存旧进程的状态，并为新进程加载保存的状态
  2. 上下文切换时间是 overhead ;系统在切换时不做任何有用的工作——通常需要几毫秒
  3. 时间取决于硬件。在SPARC体系结构中，提供了寄存器组。

Operations on Processes

进程创建

父进程创建子进程，子进程依次创建其他进程，形成进程树

• 资源共享:
  1. 父母和孩子共享所有资源
  2. 子节点共享父节点资源的子集
  3. 父节点和子节点不共享资源

• 执行(两种方式):
  1. 父节点和子节点并发执行
  2. 父进程等待子进程终止

进程中断

• 进程执行最后一条语句并请求操作系统删除它(退出)：
  1. 输出数据从子节点到父节点(通过等待)
  2. 进程的资源被操作系统释放

• 父进程可以终止子进程的执行(abort)

  1. 子进程已超出分配的资源
  2. 不再需要分配给孩子的任务
  3. 如果parents退出 :
  1. 有些操作系统不允许子进程在父进程终止时继续
  2. 所有子节点终止-级联终止
  3. 在其他一些操作系统中，子进程成为孤儿——其父进程成为“init”进程(PID=1)。

Cooperating Processes

Independent process 不能影响或被另一个进程的执行影响

Coorperating process 可以影响或被另一个进程的执行所影响

• Cooperating Processes的优势：
  1. 信息共享
  2. 计算加速(多cpu)
  3. 模块化
  4. 方便

• 生产者消费者模型：生产者进程产生的信息被消费者进程消费
  1. Unbounded-buffer对缓冲区的大小没有实际限制。如果没有新产品，消费者必须等待。
  2. bounded-buffer假设有一个固定的缓冲区大小。如果缓冲区已满，生产者必须等待。

Interprocess Communication

IPC有两种模型:消息传递和共享内存

• 消息传递:进程之间不借助共享变量进行通信
  1. 消息传递功能提供两种操作:
  1. 发送(消息):消息大小固定或可变
  2. 接收(消息)

  2. 如果P和Q想要沟通，他们需要:
  1. 在它们之间建立通信链接
  2. 通过发送/接收交换消息

• 通信链路的实现:
  1. 物理(例如，共享内存、硬件总线)
  2. 逻辑的(例如，逻辑属性)

• 直接通讯：
  1. 进程之间必须显式命名:
  1. send (P, message)——向进程P发送消息
  2. receive(Q, message)——从进程Q接收一条消息
  2. 通信链路的性质：
  1. 链接自动建立
  2. 一个链接只与一对通信进程相关联
  3. 每一对之间只存在一个链接
  4. 这种连接可能是单向的，但通常是双向的

• 间接通讯：(快递柜的例子)
  1. 消息从邮箱(也称为端口)定向和接收。
  1. 每个邮箱都有一个惟一的id
  2. 进程只有在共享邮箱时才能通信

  2. 通信链路的性质：
  1. 仅当进程共享公共邮箱时才建立链接
  2. 一个链接可能与许多进程相关联
  3. 每一对进程可以共享几个通信链路
  4. 链路可以是单向的也可以是双向的