操做系统核心原理-3.进程原理（上）：进程概要

进程管理、内存管理和文件管理是操做系统的三大核心功能，那么什么是进程呢？顾名思义，进程就是进展中的程序，或者说进程是执行中的程序。当一个程序被加载到内存以后就变为了进程。所以，咱们能够获得：进程=程序+执行。本篇将会对进程、进程模型、进程状态以及进程的缺陷等进行学习，为后续学习进程调度与进程通讯打下坚实基础。

1、进程是什么鬼？

1.1 从工做到进程

　　进程在Multics操做系统出现以前被叫作工做（Job），工做是IBM用于多道批处理程序设计中的概念。因为历史缘由，Multics操做系统的研发人员不肯意承用IBM发明的术语，因而将工做改成了进程（Process）。

1.2 实现CPU的多道编程

　　在计算机发展的初期，单一操做员单一控制终端，CPU使用率很低。为了提升CPU利用率，人们想要将多个程序同时加载到计算里并发执行。因而，这些同时存在于计算机内存中的程序就被称为进程。进程的出现，让每一个用户感受到本身在独占CPU。所以，能够说进程就是为了在CPU上实现多道编程而出现的概念，以下图所示。

　　人们发明进程是为了支持多道编程，而进行多道编程的目的则是为了提升计算机CPU的利用率（或者说系统的吞吐量）。例如，若是一个进程有20%的时间使用CPU进行计算，另外80%的时间用来进行I/O，则在单道编程下CPU的利用率只有20%。单若是同时运行两个这样的进程，即便用2道编程，则CPU只在两个进程同时进行I/O时才会处于闲置状态，所以CPU利用率将会提升到：1-0.8*0.8=0.36=>36%。同理，若是同时运行更多的进程，CPU利用率会逐步提升，直到某个临界点为止。（PS：这里的例子忽略了进程切换所须要的系统消耗）

2、进程模型

2.1 三个视角看进程模型

　　（1）物理视角：从物理内存的分配来看，每一个进程占用一片内存空间，从这点上看，进程其实就是内存的某片空间。因为在任意时刻，一个CPU只能执行一条指令，所以任意时刻在CPU上执行的进程只有一个，而到底执行哪条指令是由物理程序计数器指定。所以，在物理层面，全部进程共用一个程序计数器，只是CPU在不停地作进程切换。

　　（2）逻辑视角：从逻辑层面来看，每一个进程均可以执行，也能够暂时挂起让别的进程执行，以后又能够接着执行。因此，进程须要想办法保持状态才能在下次接着执行时从正确的地点开始。所以，每一个进程都有本身的计数器，记录其下一条指令所在的位置。（从逻辑上来讲，程序计数器能够有多个）

　　（3）时序视角：从时间来看，每一个进程都必须往前推动。在运行必定时间后，进程都应该完成了必定的工做量。换句话说，每次进程返回，它都处在上次返回点以后。哲学家有云：“一我的不能两次踏入同一条河流”。

2.2 进程模型如何实现

　　（1）物理基础：进程的物理基础是程序，程序又运行在计算机上，所以计算机上要运行程序首先要解决进程的存储：给进程分配内存，使其安身立命。因为多个进程可能同时并存，所以须要考虑如何让多个进程共享同一个物理内存而不发生冲突。OS经过内存管理来解决这个问题。

　　（2）进程切换：进程运行其实是指进程在CPU上执行，那么如何将CPU在多个进程之间进行切换也是一个问题。OS经过进程调度来解决这个问题。所谓进程调度，就是决定在何时让什么进程来使用CPU。

3、进程的层次与状态

3.1 进程的层次结构

　　一个进程在执行过程当中能够经过系统调用建立新的进程，这个新的进程就称为子进程，而建立子进程的进程则被称为父进程。

　　子进程又能够再建立子进程，因而这样子子孙孙地建立下去就造成了所谓的进程树。

3.2 进程的状态转换

　　基本的进程状态主要有3种：执行、阻塞和就绪，以下图所示：

　　那么，进程被挂起阻塞有哪些缘由呢？首先是一个进程在运行过程当中执行了某种阻塞操做，例如读写磁盘。（因为阻塞操做须要等待结果后才能继续执行，所以OS将把这个进程挂起，让其余进程运转）其次是一个进程执行的时间太长了，为了公平，OS将其挂起从而让其余进程也有机会执行。

PS：固然，上述阐述的3种典型状态并非惟一的分类方式，事实上，许多商业OS的进程都不止3个，好比Windows的进程就有7种状态。

4、进程管理概要

4.1 须要的手段

首先看看一我的的出生对一个社会来讲意味着什么？在一我的出生后，医院须要为其创建记录，该记录包括诸如姓名、性别、体重、父母信息、什么时候何地出生等信息，而后会经过该记录来登记户口，办理身份证等等。办完手续以后，这我的就正式存在，称为一个公民。固然，咱们得goverment就能够对这我的进行各类管理了，好比你不能乱说话，不能乱游行等等。

　　与一个社会管理人的过程相似，OS要管理进程就须要维护进程的一些信息，OS用于维护进程记录的结构就是进程表或进程控制块（Process Control Block，PCB）。那么进程表里有什么记录呢？通常来讲，维护的记录应该包含：寄存器、程序计数器、状态字、栈指针、优先级、进程ID、建立时间、所耗CPU时间、当前持有的各类句柄等等。

4.2 建立的过程

　　通常来讲，OS建立进程的步骤以下图所示：

　　在不一样的OS中，建立进程的方法也不一样，例如Windows中是经过系统调用完成进程建立的，这个系统调用就是CreateProcess。

4.3 处理的问题

　　人类社会最大的问题就是资源分配，进程管理的最大问题也是如此。虽然进程没有自我意识，但咱们的本性仍是追求公平的。除了公平，还须要考虑：效率。因而，公平与效率就成了进程管理中永恒的主题。

4.4 进程的缺陷

　　假定有两部都很好地岛国爱情动做片，都只放映一次，之后就不再放映了。并且，这两部片子仍是同时放映（狗血剧情啊！），还在两个不一样的小房间放映。而你在同一时间只能作一件事情，因此你不得不放弃另一部。进程亦是如此，这也是进程的缺点，若是想要同时作两件或多件事情，进程就不够用了。而且，若是进程在执行的过程当中发生阻塞，例如等待输入，整个进程就将被挂起（暂停），而没法继续执行。这样，即便进程里面有部分工做不依赖于输入数据，也没法推动。

　　所以，为了解决上述两个问题，人们发明了线程。

　　

　　欲知后事如何，还听下回分解。

参考资料

邹恒明，《操做系统之哲学原理》，机械工业出版社

 

做者：周旭龙

出处：http://edisonchou.cnblogs.com

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