操作系统里的进程

客官°小女子只卖身不卖艺 2023-10-07 21:29 2阅读 0赞

### 进程 ###

#### 1.进程概念 ####

**1.1概念**

进程是操作系统对一个正在运行的程序的一种抽象，换言之，可以把进程看做程序的一次运行过程；同时，在操作系统内部，**进程又是操作系统进行资源分配的基本单位**。

(强调程序本身不是进程，程序只是被动实体，如存储在磁盘上包含一系列指令的文件(经常称为可执行文件)；进程是活动实体,具有一个程序计数器用于表示下个执行命令和一组相关资源，当一个可执行文件被加载到内存时，这个程序就成为进程)

**1.2进程状态 （五个状态）**

**新的(new)**：进程正在创建  
**运行(running)**：指令正在执行  
**等待(waiting)**：进程等待发生某个事情(如I/O完成或收到信号)  
**就绪(ready)**：进程等待分配器处理  
**终止(terminated)**:进程已经完成执行

**1.3进程控制块**

操作系统内的每个进程表示，采用**进程控制块(PCB)**,也成为任务控制块，它包含了许多与某个特定进程相关信息:进程状态，程序计数器，CPU寄存器，CPU调度信息，内存管理信息，记账信息，I/O状态信息。

在Java语言中，我们可以通过类/对象来描述这一特征:

// 以下代码是 Java 代码的伪码形式，重在说明，无法直接运行
    class PCB {
        
        // 进程的唯一标识 —— pid;
        // 进程关联的程序信息，例如哪个程序，加载到内存中的区域等
       // 分配给该资源使用的各个资源
        // 进度调度信息
    }

这样，每一个 PCB 对象，就代表着一个实实在在运行着的程序，也就是进程。  
操作系统再通过这种数据结构，例如线性表、搜索树等将 PCB 对象组织起来，方便管理时进行增删查改的操作。

#### 2.进程调度 ####

多道程序设计的目标是，无论何时都有进程运行，从而最大化CPU利用率。分时系统的目的是在进程之间快速切换CPU，以便用户在程序运行时能与其交互。为了满足这些目标，**进程调度器**选择一个可用进程(可能从多个可用进程集合中)到CPU上执行。

**2.1调度队列**

进程在进入系统时，会被加到**作业队列**，这个队列包括系统内的所有进程。  
驻留在内存中的，就绪的，等待运行的进程会保存在**就绪队列**，当然系统不止这两个队列，还有其他队列，主要列举这两个。

**2.2调度程序**

进程选择通过适当**调度器**或**调度程序**来执行。主要分为**长期调度程序(作业调度程序)**：从缓冲池中选择进程，加到内存，方便执行；**短期调度程序(CPU调度程序)**:从准备执行的进程中选择进程，并分配CPU，这两种调度程序主要区别是执行频率。

**2.3上下文切换**

当系统操作发生中断的时候，系统需要保存当前在CPU上的进程的**上下文**，以便在处理后能够恢复上下文，即先挂起进程，再恢复进程。进程上下文采用进程PCB表示，包括CPU寄存器的值，进程状态和内存管理信息等。通过执行**状态保存**，保存CPU当前状态(包括内核模式和用户模式）；之后**状态修复**重新开始运行。

切换CPU到另一个进程需要保存当前进程状态和恢复另一个进程状态，这个任务称为**上下文切换**，当进行上下文切换时，内核会将旧程序状态保存在其PCB中，然后加载经调度而要执行的新进程的上下文。上下文切换的时间是纯粹的开销，因为在切换时系统并没有做任何有用工作。

#### 3.进程间通信 ####

进程是操作系统进行资源分配的最小单位，这意味着各个进程互相之间是无法感受到对方存在的，这就是操作系统抽象出进程这一概念的初衷，这样便带来了进程之间互相具备”**隔离性(Isolation）**“。

但现代的应用，要完成一个复杂的业务需求，往往无法通过一个进程独立完成，总是需要进程和进程进行配合地达到应用的目的，如此，进程之间就需要有进行“**信息交换**“的需求。进程间通信的需求就应运而生。

目前，主流操作系统提供的进程通信机制有如下：1. 管道 2. 共享内存 3. 文件4. 网络 5. 信号量 6. 信号，其中，网络是一种相对特殊的 IPC 机制，它除了支持同主机两个进程间通信，还支持同一网络内部非同一主机上的进程间进行通信。