【JavaEE】操作系统与进程

柔光的暖阳◎ 2024-02-18 12:11 14阅读 0赞

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> **内容分享：本期将是JavaEE的开头曲,会从操作系统与进程,CPU之间的关系拉开序幕~**

**目录**

操作系统

操作系统在计算机系统中处在的位置

进程

什么是进程

操作系统对进程的管理

进程与CPU的关系

进程控制快 PCB

PCB重要的属性

PCB支持进程调度的属性

内存与进程的关系

进程间通信

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## 操作系统 ##

操作系统它是一组管理计算机资源的软件的统称.本质上它就是软件,它负责管理硬件资源和为程序提供稳定的运行环境.一般都是由C/C++代码编写的.一般我们常见的操作系统有: Windows,Unix,Linux,IOS,Android,鸿蒙等等.

### 操作系统在计算机系统中处在的位置 ###

操作系统在计算机中处在中间位置,向下管理硬件,向上为软件即应用程序提供资源.

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操作系统有两个最基本的功能:

防止硬件被应用程序滥用

将底层的硬件封装起来,向程序提供统一的API让程序可以简单一致的使用硬件资源

## 进程 ##

### 什么是进程 ###

进程就是操作系统对应用程序的抽象. 系统上的硬件资源,好像只要程序在运行,就会被调用. 这种情况就是通过抽象了进程这么一个概念来完成的. 现在我们使用的都是多进程/多任务系统.

进程是操作系统对一个在运行的程序的抽象,我们可以将在运行的程序看做为就是一个进程.

且进程是操作系统分配资源的基本单位.

### 操作系统对进程的管理 ###

操作系统一般对于进程采用的是先描述,再组织的方式.

描述:

操作系统一般都是拿C/C++写的,一般会用一个机构体将进程的实体属性描述出来.而这个描述进程的结构体就叫做PCB,这是所有操作系统对进程结构体的统称.

组织:

在描述好后,操作系统会用一个类似于双向列表的数据结构将进程组织起来.像任务管理器中的信息就是对这个链表进行遍历,将其中所有进程的信息打印出来.而要是有一个新的进程,它就会构造出一个新的PCB,将这个PCB新增在链表中. 但如果哪个程序退出了,就要将对应进程的PCB删除,且释放其使用的资源.

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### 进程与CPU的关系 ###

这里关于硬件资源与进程,我们可以通过PCB感知到内存,硬盘等资源,但一个进程消耗CPU的资源?这我们从PCB中是体现不出来的.

这里我们先从单核处理器讲起:

我们可以将单核CPU看成一个舞台,进程看成演员.同一时刻舞台上只能有一个演员表演.这时规定. 那但是这有好多个进程,也就是演员在等待,狼多肉少,这该怎么办呢?  **这里,就引入了分时复用,也就是我们口中的并发这个概念. 也就是让每个演员表演一下,A表演一会,就换B表演,以此往复,不断循环**. 这里大家可以就会想到了,你这还不是每次只能一个进程运行,怎么就是并发了呢. 这里大家不要忽略了CPU这个强大的处理数据,它一秒钟可以处理几十亿条指令呢,这就可以但短时间内CPU进行多次的任务切换,只要速度够快,在我们人眼中和同时运行也就没什么概念了.

我们现在使用的多核处理器也是这个道理:

这就等于从一个舞台变成了多个舞台,同一时刻每个舞台上都有一个演员在表演.这种就叫做并行执行. 但是上面的并发执行还是同样会发生.这就是等于并行+并发

**所以我们得到一个结论: 进程在CPU中是分时复用,并发执行的~**

### 进程控制快 PCB ###

计算机中要管理任何现实事物,都要将其抽象成一组有关联的数据.在操作系统中就将进程里的实体信息抽象成了一个PCB对象,就是一个结构体.操作系统在通过数据结构将PCB对象组织起来,方便管理.

#### PCB重要的属性 ####

**pid:**

**是对这个PCB进行身份标识**,同一时刻的每个PCB中的PId是不同的

**内存指针:**

**内存指针是对进程使用内存资源的描述**.进程在运行的过程中,是需要消耗系统的内存资源的,而内存是不能随便使用的.内存指针就是告诉进程那些内存是可以使用的,在运行进程前,需要将这个exe可执行文件的指令和数据加载到内存中,这时就需要知道哪些内存是存放指令,哪些是存放数据.

**文件描述符表:**

**文件描述符表是对进程使用系统硬件资源的描述**.因为一个进程经常会使用系统的磁盘资源,这时就需要知道哪些是可以使用的.

#### PCB支持进程调度的属性 ####

**状态:**

**状态就是用来描述进程当前能不能在CPU上执行.** 进程在运行的过程中会有一些不同的状态, 有的就不方便在CPU上运行. 比如这个进程在等待用户输入数据的时刻,总不可能让CPU来等它吧,这就需要给它们加上状态,让操作系统知道哪些先不要在CPU台上表演,哪些可以上台表演.这里有一些常见的状态:

就绪状态: 随时准备就绪可以上台表演.CPU可以执行它

阻塞状态: 这个进程不方便在CPU上执行,这时操作系统就不能让它去CPU上执行

**优先级:**

**优先级就是描述进程在CPU上执行的先后顺序**. 多个进程总有先后执行的顺序,我们就可以通过优先级来区分他们执行的先后顺序.

**记账信息:**

**记账信息就是针对与CUP执行每个进程时间的统计,再根据这个统计进行调整.**这就可以确保每个进程不至于没有机会在CPU上执行了.

**上下文:**

**上下文就是对进程调度出CPU前的存档,对下次调度进CPU执行的读档.** 这就相当于游戏中的读档和存档. 因为操作系统在调度进程CPU上是随机的, 任何进程在执行到任何一个指令时都有可能调度出CPU,这就需要保存当前的进度,在下次调度进CPU时继续当前进度执行. 读档就是在调度出CPU时将当前寄存器这些数据保存到另一个地方,再下次调度的时候再恢复回来.

保存上下文: 将当前CPU寄存器中的数据保存到内存的特定区域

恢复上下文: 去内存的特定区域将保存寄存器中的数据恢复到CPU中的寄存器中.

### 内存与进程的关系 ###

**操作系统对内存资源的分配是让不同进程使用的内存在不同的区域,相互独立,互不干扰.**

### 进程间通信 ###

如上所述，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'',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。

**进程间通信就是操作系统会提供一些公共的区间(所有的进程都可以访问到),让多个进程可以进行交换数据.**

目前,常用的进程通信机制有以下几种:

管道, 共享内存, 文件, 网络, 信号.

这里,在Java中,我们用的最多的就是文件和网络. 而网络可以同一个主机间不同进程通信,也可以不同主机间不同进程通信.

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