【操做系統—虛擬化】進程

概念

進程的非正式定義很是簡單：進程就是運行中的程序。程序自己是沒有生命週期的，它只是存在磁盤上面的一些指令（也多是一些靜態數據）。人們經常但願同時運行多個程序，一個正常的系統可能會有上百個進程同時在運行。

操做系統經過虛擬化（virtualizing）CPU來提供這種假象。經過讓一個進程只運行一個時間片，而後切換到其餘進程，操做系統提供了存在多個虛擬CPU的假象。這就是時分共享（time sharing）CPU技術，容許用戶如願運行多個併發進程。潛在的開銷就是性能損失，由於若是CPU必須共享，每一個進程的運行就會慢一點。

抽象：進程

操做系統爲正在運行的程序提供的抽象，就是所謂的進程（process）。正如咱們上面所說的，一個進程只是一個正在運行的程序。在任什麼時候刻，咱們均可以清點它在執行過程當中訪問或影響的系統的不一樣部分，從而歸納一個進程。

爲了理解構成進程的是什麼，咱們必須理解它的機器狀態（machine state）：程序在運行時能夠讀取或更新的內容。進程的機器狀態有一個明顯組成部分，就是它的內存。指令存在內存中，正在運行的程序讀取和寫入的數據也在內存中。所以進程能夠訪問的內存（稱爲地址空間，address space）是該進程的一部分。

進程的機器狀態的另外一部分是寄存器。許多指令明確地讀取或更新寄存器，所以，它們對於執行該進程很重要。例如，程序計數器（ProgramCounter，PC）（有時稱爲指令指針，Instruction Pointer或IP）告訴咱們程序當前正在執行哪一個指令；相似地，棧指針（stack pointer）和相關的幀指針（frame pointer）用於管理函數參數棧、局部變量和返回地址。

最後，程序也常常訪問持久存儲設備。此類I/O信息可能包含當前打開的文件列表。

進程建立

操做系統運行程序必須作的第一件事是將代碼和全部靜態數據（例如初始化變量）加載（load）到內存中，也即加載到進程的地址空間中。程序最初以某種可執行格式駐留在磁盤上。所以，將程序和靜態數據加載到內存中的過程，須要操做系統從磁盤讀取這些字節，並將它們放在內存中的某處。

將代碼和靜態數據加載到內存後，操做系統在運行此進程以前還須要執行其餘一些操做。必須爲程序的運行時棧（run-time stack或stack）分配一些內存。

操做系統也可能爲程序的堆（heap）分配一些內存。在C程序中，堆用於顯式請求的動態分配數據。程序經過調用malloc()來請求這樣的空間，並經過調用free()來明確地釋放它。

操做系統還將執行一些其餘初始化任務，特別是與輸入/輸出（I/O）相關的任務。例如，在UNIX系統中，默認狀況下每一個進程都有3個打開的文件描述符（file descriptor），用於標準輸入、輸出和錯誤。

經過將代碼和靜態數據加載到內存中，經過建立和初始化棧以及執行與I/O設置相關的其餘工做，OS如今爲程序執行搭好了舞臺。而後它有最後一項任務：啓動程序，在入口處運行，即main()。經過跳轉到main()例程，OS將CPU的控制權轉移到新建立的進程中，從而程序開始執行。

進程狀態

簡而言之，進程能夠處於如下3種（穩定）狀態之一。

• 運行（running）：在運行狀態下，進程正在處理器上運行。這意味着它正在執行指令。
• 就緒（ready）：在就緒狀態下，進程已準備好運行，但因爲某種緣由，操做系統選擇不在此時運行。
• 阻塞（blocked）：在阻塞狀態下，一個進程執行了某種操做，直到發生其餘事件時纔會準備運行。一個常見的例子是，當進程向磁盤發起I/O請求時，它會被阻塞，所以其餘進程可使用處理器。

數據結構

操做系統是一個程序，和其餘程序同樣，它有一些關鍵的數據結構來跟蹤各類相關的信息。例如，爲了跟蹤每一個進程的狀態，操做系統可能會爲全部就緒的進程保留某種進程列表（process list），以及跟蹤當前正在運行的進程的一些附加信息。操做系統還必須以某種方式跟蹤被阻塞的進程。當I/O事件完成時，操做系統應確保喚醒正確的進程，讓它準備好再次運行。

操做系統追蹤進程的一些重要信息。對於中止的進程，寄存器上下文將保存其寄存器的內容。當一個進程中止時，它的寄存器將被保存到這個內存位置。經過恢復這些寄存器（將它們的值放回實際的物理寄存器中），操做系統能夠恢復運行該進程。

除了運行、就緒和阻塞以外，還有其餘一些進程能夠處於的狀態。有時候系統會有一個初始（initial）狀態，表示進程在建立時處於的狀態。另外，一個進程能夠處於已退出但還沒有清理的最終（final）狀態（在基於UNIX的系統中，這稱爲殭屍狀態）。

注：存儲關於進程的信息的個體結構稱爲進程控制塊（Process Control Block，PCB）。