操做系統核心原理-3.進程原理（上）：進程概要

進程管理、內存管理和文件管理是操做系統的三大核心功能，那麼什麼是進程呢？顧名思義，進程就是進展中的程序，或者說進程是執行中的程序。當一個程序被加載到內存以後就變爲了進程。所以，咱們能夠獲得：進程=程序+執行。本篇將會對進程、進程模型、進程狀態以及進程的缺陷等進行學習，爲後續學習進程調度與進程通訊打下堅實基礎。

1、進程是什麼鬼？

1.1 從工做到進程

　　進程在Multics操做系統出現以前被叫作工做（Job），工做是IBM用於多道批處理程序設計中的概念。因爲歷史緣由，Multics操做系統的研發人員不肯意承用IBM發明的術語，因而將工做改成了進程（Process）。

1.2 實現CPU的多道編程

　　在計算機發展的初期，單一操做員單一控制終端，CPU使用率很低。爲了提升CPU利用率，人們想要將多個程序同時加載到計算裏併發執行。因而，這些同時存在於計算機內存中的程序就被稱爲進程。進程的出現，讓每一個用戶感受到本身在獨佔CPU。所以，能夠說進程就是爲了在CPU上實現多道編程而出現的概念，以下圖所示。

　　人們發明進程是爲了支持多道編程，而進行多道編程的目的則是爲了提升計算機CPU的利用率（或者說系統的吞吐量）。例如，若是一個進程有20%的時間使用CPU進行計算，另外80%的時間用來進行I/O，則在單道編程下CPU的利用率只有20%。單若是同時運行兩個這樣的進程，即便用2道編程，則CPU只在兩個進程同時進行I/O時纔會處於閒置狀態，所以CPU利用率將會提升到：1-0.8*0.8=0.36=>36%。同理，若是同時運行更多的進程，CPU利用率會逐步提升，直到某個臨界點爲止。（PS：這裏的例子忽略了進程切換所須要的系統消耗）

2、進程模型

2.1 三個視角看進程模型

　　（1）物理視角：從物理內存的分配來看，每一個進程佔用一片內存空間，從這點上看，進程其實就是內存的某片空間。因爲在任意時刻，一個CPU只能執行一條指令，所以任意時刻在CPU上執行的進程只有一個，而到底執行哪條指令是由物理程序計數器指定。所以，在物理層面，全部進程共用一個程序計數器，只是CPU在不停地作進程切換。

　　（2）邏輯視角：從邏輯層面來看，每一個進程均可以執行，也能夠暫時掛起讓別的進程執行，以後又能夠接着執行。因此，進程須要想辦法保持狀態才能在下次接着執行時從正確的地點開始。所以，每一個進程都有本身的計數器，記錄其下一條指令所在的位置。（從邏輯上來講，程序計數器能夠有多個）

　　（3）時序視角：從時間來看，每一個進程都必須往前推動。在運行必定時間後，進程都應該完成了必定的工做量。換句話說，每次進程返回，它都處在上次返回點以後。哲學家有云：「一我的不能兩次踏入同一條河流」。

2.2 進程模型如何實現

　　（1）物理基礎：進程的物理基礎是程序，程序又運行在計算機上，所以計算機上要運行程序首先要解決進程的存儲：給進程分配內存，使其安身立命。因爲多個進程可能同時並存，所以須要考慮如何讓多個進程共享同一個物理內存而不發生衝突。OS經過內存管理來解決這個問題。

　　（2）進程切換：進程運行其實是指進程在CPU上執行，那麼如何將CPU在多個進程之間進行切換也是一個問題。OS經過進程調度來解決這個問題。所謂進程調度，就是決定在何時讓什麼進程來使用CPU。

3、進程的層次與狀態

3.1 進程的層次結構

　　一個進程在執行過程當中能夠經過系統調用建立新的進程，這個新的進程就稱爲子進程，而建立子進程的進程則被稱爲父進程。

　　子進程又能夠再建立子進程，因而這樣子子孫孫地建立下去就造成了所謂的進程樹。

3.2 進程的狀態轉換

　　基本的進程狀態主要有3種：執行、阻塞和就緒，以下圖所示：

　　那麼，進程被掛起阻塞有哪些緣由呢？首先是一個進程在運行過程當中執行了某種阻塞操做，例如讀寫磁盤。（因爲阻塞操做須要等待結果後才能繼續執行，所以OS將把這個進程掛起，讓其餘進程運轉）其次是一個進程執行的時間太長了，爲了公平，OS將其掛起從而讓其餘進程也有機會執行。

PS：固然，上述闡述的3種典型狀態並非惟一的分類方式，事實上，許多商業OS的進程都不止3個，好比Windows的進程就有7種狀態。

4、進程管理概要

4.1 須要的手段

首先看看一我的的出生對一個社會來講意味着什麼？在一我的出生後，醫院須要爲其創建記錄，該記錄包括諸如姓名、性別、體重、父母信息、什麼時候何地出生等信息，而後會經過該記錄來登記戶口，辦理身份證等等。辦完手續以後，這我的就正式存在，稱爲一個公民。固然，咱們得goverment就能夠對這我的進行各類管理了，好比你不能亂說話，不能亂遊行等等。

　　與一個社會管理人的過程相似，OS要管理進程就須要維護進程的一些信息，OS用於維護進程記錄的結構就是進程表或進程控制塊（Process Control Block，PCB）。那麼進程表裏有什麼記錄呢？通常來講，維護的記錄應該包含：寄存器、程序計數器、狀態字、棧指針、優先級、進程ID、建立時間、所耗CPU時間、當前持有的各類句柄等等。

4.2 建立的過程

　　通常來講，OS建立進程的步驟以下圖所示：

　　在不一樣的OS中，建立進程的方法也不一樣，例如Windows中是經過系統調用完成進程建立的，這個系統調用就是CreateProcess。

4.3 處理的問題

　　人類社會最大的問題就是資源分配，進程管理的最大問題也是如此。雖然進程沒有自我意識，但咱們的本性仍是追求公平的。除了公平，還須要考慮：效率。因而，公平與效率就成了進程管理中永恆的主題。

4.4 進程的缺陷

　　假定有兩部都很好地島國愛情動做片，都只放映一次，之後就不再放映了。並且，這兩部片子仍是同時放映（狗血劇情啊！），還在兩個不一樣的小房間放映。而你在同一時間只能作一件事情，因此你不得不放棄另一部。進程亦是如此，這也是進程的缺點，若是想要同時作兩件或多件事情，進程就不夠用了。而且，若是進程在執行的過程當中發生阻塞，例如等待輸入，整個進程就將被掛起（暫停），而沒法繼續執行。這樣，即便進程裏面有部分工做不依賴於輸入數據，也沒法推動。

　　所以，爲了解決上述兩個問題，人們發明了線程。

　　

　　欲知後事如何，還聽下回分解。

參考資料

鄒恆明，《操做系統之哲學原理》，機械工業出版社

 

做者：周旭龍

出處：http://edisonchou.cnblogs.com

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