操做系統思考 第二章 進程

第二章 進程

做者：Allen B. Downey

原文：Chapter 2 Processes

譯者：飛龍

協議：CC BY-NC-SA 4.0

2.1 抽象和虛擬化

在咱們談論進程以前，我打算先定義幾個東西：

• 抽象（Abstraction）：抽象是復瑣事物的簡單表示。例如，若是你開車的話，應該知道車輪向左轉的時候車也會向左行駛，反之亦然。固然，方向盤由一系列機械和傳動系統所鏈接，用於使輪子轉向，而且輪子和路面的相互做用方式也很複雜。可是做爲一個司機，你一般不須要考慮這些細節。你能夠僅僅創建方向盤的心智模型，這種心智模型就是一個抽象。

  軟件工程的很大一部分就是設計相似這樣的抽象，容許用戶和其它程序員使用強大而複雜的系統，而沒必要知道其實現的細節。

• 虛擬化（Virtualization）：一類很是重要的抽象就是虛擬化，它是建立可取的幻像的過程。例如，許多公共圖書館都參與了館際合做，容許它們互相借閱圖書。當我須要一本書時，有時它在個人本地圖書館的架子上，但更多狀況下它會被運到其它的館藏中。不管是哪種，我都會收到它可借閱的提醒。我並不須要知道它來自哪裏，我也不須要知道個人圖書館擁有哪一本書。通常來講，這個系統建立了一個幻象，好像個人圖書館擁有全世界的每一本書。

  在物理上，個人圖書館的館藏可能很小，可是虛擬上我能得到的館藏包含了館際合做的每一本書。
  
  另一個例子，大多數電腦都只鏈接到一個網絡中，而這個網絡又連接到其它網絡，等等。咱們所談論的「互聯網」，是一系列網絡和協議的合集，它將數據包從一個網絡傳送到另外一個網絡。從用戶和程序員的角度來看，整個系統的行爲就像是互聯網的每臺計算機都互相鏈接。物理鏈接的數量十分少，可是虛擬鏈接的數量十分龐大。

「虛擬」這個詞一般用於虛擬機的語境中，它是一種軟件，能夠建立運行特定系統的專用計算機的幻象。實際上，虛擬機可能和其它虛擬機一塊兒運行在不一樣的操做系統上。

在虛擬化的語境中，咱們一般把真實發生的事情叫作「物理的」，而把虛擬上發生的事情叫作「邏輯的」或者「抽象的」。

2.2 隔離

工程最重要的原則之一就是隔離（Isolation）：當你設計一個帶有多個組件的系統時，將它彼此隔離是個很好的方法，這樣某個組件中的改變就不會對其它組件形成不良影響。

操做系統最重要的目標之一，就是將每一個進程和其它進程隔離，使程序員沒必要考慮每一個可能的交互狀況。提供這種隔離的軟件對象叫作進程（Process）。

進程是表示運行中程序的軟件對象。我按照面向對象編程把它稱之爲「軟件對象」。工程一個對象包含數據，而且提供用於操做數據的方法。進程正是包含如下數據的對象：

• 程序文本，一般是機器語言的指令序列。

• 程序相關的數據，包括靜態數據（編譯時分配）和動態數據，後者包括運行時的棧和堆。

• 任何等待中的IO狀態。例如，若是進程正在等待從磁盤中讀取的數據，或者從網絡到達的數據包，這些操做的狀態也是進程的一部分。

• 程序的硬件狀態，這包括儲存在寄存器中的數據，狀態信息，以及程序計數器，它表示當前執行了哪一個指令。

一般一個進程運行一個程序，可是對於進程來講，加載並運行新的程序也是可能的。

也能夠在多於一個進程中運行相同的程序，這很是常見。這種狀況下，各個進程共享程序文本，可是擁有不一樣的數據和硬件狀態。

大多數操做系統提供了隔離進程的基本功能：

• 多任務：大多數操做系統有能力在幾乎任什麼時候候中斷一個進程，保存它的硬件狀態，而且在之後恢復它。一般，程序員不須要考慮這些中斷。程序的行爲就像在一個專用的處理器上持續運行，除了兩條指令之間的時間是不可預測的。

• 虛擬內存：大多數操做系統會建立幻象，每一個進程看似擁有獨立內存片而且孤立於其餘進程。一樣，程序員一般也不須要考慮虛擬內存如何工做，他們能夠當作每一個程序都擁有專用的內存片來處理。

• 設備抽象：運行於同一臺計算機的進程共享磁盤、網絡接口、顯卡和其它硬件。若是進程直接和這些硬件交互而不加協調，就必定會產生混亂。例如，一個進程預期的網絡數據可能會被另外一個進程讀取。或者多個進程可能嘗試在磁盤的相同位置儲存數據。操做系統負責經過提供合適的抽象來維持秩序。

做爲程序員，你不須要知道太多關於這些功能如何實現的事情。可是若是你很好奇，你能夠在這個屏蔽層的後面發現一大堆有趣的事情。並且，若是你知道其中所發生的事情，你會成爲更好的程序員。

2.3 Unix 進程

當我寫這本書的時候，我最關注的進程就是個人文本編輯器，Emacs。偶爾我也會切換到終端窗口，它是一個運行Unix shell並提供命令行接口的窗口。

當我移動鼠標時，窗口的管理器會被喚醒，看到鼠標在終端窗口上方，而且喚醒終端。終端又喚醒shell。若是我在shell中鍵入make，它就會建立一個新的進程來運行Make。Make會建立另外一個進程來運行LaTeX，以後另外一個進程會顯示結果。

若是我須要查詢一些東西，我會切換到另外一個桌面，這會再次喚醒窗口管理器。若是我點擊Web瀏覽器的圖標，窗口管理器會建立進行來運行Web瀏覽器。許多瀏覽器，相似Chrome，會爲每一個窗口和每一個選項卡建立新的進程。

而且這些只是我所瞭解的進程，同時還有許多其它進程「在後臺」運行。它們中許多都在執行操做系統相關的工做。

Unix命令ps能打印出運行中進程的信息。若是你在終端裏運行它，可能會看到這些：

PID TTY          TIME CMD
 2687 pts/1    00:00:00 bash
 2801 pts/1    00:01:24 emacs
24762 pts/1    00:00:00 ps

第一列是惟一的進程ID。第二列是建立進程的終端，「TTY」表明「電傳打字機」（Teletypewriter），它是原始的機械終端。

第三行是用於該進程的處理器時間總計，依次爲時、分、秒。最後一行是所運行進程的名稱。這個例子中，bash是shell的名稱，用於解釋我鍵入到終端中的命令。Emacs是個人文本編輯器，而ps是生成這份輸出的程序。

一般，ps只會列出有關當前終端的進程。若是你使用-e選項，你會獲得全部進程（也包括屬於其餘用戶的進程，我認爲這是個安全缺陷）。

在個人系統上有233個進程，下面是它們的一部分：

PID TTY          TIME CMD
    1 ?        00:00:17 init
    2 ?        00:00:00 kthreadd
    3 ?        00:00:02 ksoftirqd/0
    4 ?        00:00:00 kworker/0:0
    8 ?        00:00:00 migration/0
    9 ?        00:00:00 rcu_bh
   10 ?        00:00:16 rcu_sched
   47 ?        00:00:00 cpuset
   48 ?        00:00:00 khelper
   49 ?        00:00:00 kdevtmpfs
   50 ?        00:00:00 netns
   51 ?        00:00:00 bdi-default
   52 ?        00:00:00 kintegrityd
   53 ?        00:00:00 kblockd
   54 ?        00:00:00 ata_sff
   55 ?        00:00:00 khubd
   56 ?        00:00:00 md
   57 ?        00:00:00 devfreq_wq

init是操做系統啓動時首先建立的進程。它又會建立許多其它進程，以後會閒置，直到它建立的進程運行完畢。

kthreadd是操做系統用於建立新的「線程」的進程。以後咱們將會談論更多關於線程的東西，可是你暫時你能夠認爲線程是一種進程。