深刻理解計算機系統（二）

進程

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進程是計算機科學中最成功，最深入的概念之一。

在咱們運行一個程序時，一般會有這樣一個假象，就好像咱們的程序是當前惟一運行的程序同樣，它是獨佔 CPU 和內存的，程序的指令在處理器上一條一條地執行，最後，咱們的程序就好像內存中惟一一個對象，這些假象都是進程的概念給咱們提供的。

• 一個獨立的邏輯控制流，它提供一種假象，就好像咱們的程序獨立地使用處理器。
• 一個獨立的私有地址空間，它提供一種假象，好像咱們的程序獨立地使用內存系統

邏輯控制流

處理器的一個物理控制流被分爲三個邏輯流，每一個進程一個。每一個豎直的條表示邏輯流的一部分。三個邏輯流的執行是交錯的。關鍵在於進程是輪流使用處理器的，每一個進程執行它的流的一部分，而後被搶佔 [暫時掛起] 。

併發

一個邏輯流在執行的時間上與另外一個發生重疊，就稱爲併發流。多個流併發的執行稱爲併發。一個進程和多個進程輪流地運行稱爲多任務。一個進程執行它的部分邏輯流的每一時間段稱爲時間片。

私有地址空間

進程爲每一個程序提供一個假象，好像它單獨地佔用系統地址空間。進程爲每一個程序提供它本身私有的地址空間。 每一個地址空間的底部是保留給用戶的，一般包括棧，堆，數據和代碼。地址空間的頂部是保留給內核的。

內核模式和用戶模式

一個運行在內核模式的進程能夠執行指令中的任何指令，訪問系統中的任何內存空間。沒有設置模式時，進程就處在用戶模式，此時的進程不容許執行帶有特權的指令，如中止處理器，發起一個 I/O 操做等。也不容許訪問內核區的代碼和數據。

上下文切換

操做系統的內核使用一種上下文切換的形式的控制流來實現多任務。內核會爲每個進程維持一個上下文，上下文就是內核從新啓動一個被強佔的進程說須要的狀態。在進程執行的某些時刻，內核能夠決定搶佔當前進程，並從新開啓一個先前被搶佔了的進程，這種行爲叫作調度，這個時候就會發生上下文切換。若是系統由於某個調用而發生阻塞，那麼內核可讓這個進程休眠，切換到另外一個進程。好比，一個 read 系統調用訪問磁盤，內核能夠選擇上下文切換，運行另外一個進程，而不是等待數據從磁盤到達。

建立和終止進程

進程通常有三種狀態

• 運行。要麼在 CPU 上運行，要麼被等待執行且最終會被內核調度。
• 中止。進程的執行被掛起，且不會被調度。當收到某種信號時，纔會被從新調度，而後再次運行。
• 終止。進程永遠的中止了，通常進程中止有三個緣由

1. 收到一個信號，該信號終止進程
2. 從主程序中返回
3. 調用 exit 函數

在 unix 系統中，建立一個子進程是 fork 函數。新建立的子進程與父進程幾乎但不徹底相同，子進程能夠獲得與父進程用戶虛擬地址空間相同的一份副本(獨立地)，包括代碼、數據、棧和堆。子進程還能讀寫父進程打開的文件，他們之間最大的區別就是有不一樣的 PID。

parent 0

child 2

• 相同可是獨立的地址空間 父進程和子進程的地址空間都是相同的，他們的用戶棧、堆、全局變量、代碼都是同樣的。因此，在第 6 行fork函數返回時，x在兩個進程的值都是 1。然而，他們卻都有獨立的地址空間。後面，父進程與子進程對 x 的操做也都是獨立的，這就是後面兩個 x 的值不一樣。