十天学会CS之操做系统——进程管理01

进程管理01

进程的概念

进程是计算机中一个很是重要的概念，在整个计算机发展历史中，操做系统中程序运行机制的演变按顺序大体能够分为：

1. 单道程序：一般是指每一次将一个或者一批程序（一个做业）从磁盘加载进内存，CPU必须等待I/O完成后才能够进行执行，CPU利用率低。
2. 多道程序：讲多个做业调入内存后自动处理，可是单道程序和多道程序均无交互性，可控性差
3. 进程：程序+PCB(状态周期描述)+数据集
4. 线程

单道 --> 多道系统

从单道程序演化为多道程序就是CPU的高速与I/O的低速有着显著矛盾，所以引入了多道程序做为解决。举一个例子，在单道程序中，假若I/O没有完成，那么CPU就会一直处于空闲状态。可是在多道程序中，当某程序在占用CPU的时候，其他程序能够开始进行I/O请求，互不干扰，这样就减小了在I/O中CPU的空闲。当某个程序释放CPU后，下一程序继续占用CPU。

在多道程序中，常常会有这种状况，例如某程序须要监测输入值，那么，该程序就会委托I/O系统去取值，那么在取值完成前，该程序并不须要占用CPU，那么程序会因为I/O阻塞主动放弃CPU，而且进入执行队列尾部，此时CPU会按出队列的顺序依次分配。

多道程序的状态：

多道程序的调度

多道程序 --> 进程

进程就是在程序中加入一些描述程序状态的块（PCB)

从多道程序演化为进程的过程当中是经过提升并发性，从而进一步的提升CPU的利用率。事实上也就是在多道程序死板的调度机制中灵活的进行控制程序运行的顺序等。实现的功能即是PCB的监控。

进程的状态：

进程的调度：

进程 --> 线程

在进程之下，咱们引入了线程。在说线程以前，咱们引入那么一个问题，假定你制做了一个即时通信的程序，若是你只是用一个进程去控制程序运行，会发生什么？事实上这里发生的事情你有时候能够在一些小厂商作出的低劣游戏中发现这一问题。咱们在有些制做很差、历史久远或者代码质量差的游戏中，常常能发现，一旦网卡了，整个游戏甚至都会卡顿甚至无响应，游戏的渲染也受到了很大的影响。有时候是由于网络一直在尝试发包致使，可是更多时候是由于进程调度问题。但是为何网络是基于外部的，却能够影响内部的引擎渲染之类的功能呢？缘由就是咱们以前讲过，请求网络是一个明显的I/O过程，假设网络很差，那么咱们的程序一直处于I/O阻塞的状态下，从而放弃CPU，那么咱们渲染的代码也会迟迟得不到运行。会到咱们以前的问题，假设你只是用一个进程去制做了即时通信软件，一旦网络丢包之类的网络故障发生时，你的程序很容易卡顿。

说了那么多，咱们应该如何去解决这个问题？很天然的咱们会想到使用多进程去制做一个软件，那么其中一个进程发生阻塞的时候，咱们其他的进程会继续占用CPU，则总体运行并不会受太大影响。可是这种方法须要占用大量的时空，由于进程的调度是依赖PCB以及PCB的监控程序，进程切换过程当中，上下文切换也会致使PCB状态切换，须要花费大量的时间进行查询、修改等操做，而且内存栈的使用也会过于频繁致使空间消耗，而且在操做系统中，PCB的数量是有限的，所以使用多进程并非一个号的方法。

这里咱们就引出多线程的方法，进程就成为了线程的一个容器，且进程和线程能够同时存在，线程几乎不占用多少空间，总体也比进程小的多，那么对线程的调度开销就会远比进程小得多。进程的数量也减小了，那么总体系统的压力也小了。

进程和程序的区别

1. 程序是一段代码编译后的产物，在执行过程当中被拷贝至内存，一般是静态不变的，进程在运行过程当中是会发生状态转变，一般认为是动态的。进程是对程序一次执行的过程。
2. 程序和进程是多对多关系，例如同时执行两个同样的程序和操做系统的GUI绘图渲染与各个可视化程序的关系。你能够在任务管理器中发现这些关系

进程的特征

1. 并发性：与OS的并发一致
2. 异步性：与OS异步一致
3. 动态性：进程在运行过程当中是会发生状态转变，一般认为是动态的。
4. 结构性：使用了PCB组成
5. 独立性：在资源分配过程当中，各个进程是独立分配。例如各个进程在内存中的位置都是独立的。

进程的组成

一般咱们只考虑为PCB+程序或PCB+指令段+数据段。这里涉及到的指令段和数据段是什么呢？

指令段就是具体的操做逻辑，而数据段就是存储的具体数据值，他们一般都存储在栈上。例若有一段代码：

public int Add()
{
    return 3+4;
}

这段代码在进程中会存储函数指针，也就是程序的具体内存位置；3和4将会做为数据段存储在独立的堆栈中，而 ‘+’会存储在指令段中。

PCB的组成

1. PID：进程的惟一标识
2. 状态：进程五个状态中的一种
3. 优先级：用于控制进程的执行顺序

指令段的组成

1. 运行地址：指程序代码在内存中的位置
2. 外存地址：程序在存储设备上中的位置
3. 代码段指针：程序指令段在内存中的具体位置
4. 进入内存时间：进入时间

数据段组成

1. 堆栈指针：用于存储数据的地址
2. 数据段指针：数据段代码的地址

进程的组成

进程运行分析

对于一个进程或程序须要运行，如下三个东西是必不可少的：

• PCB
• 内存
• CPU

进程的状态：

• 对于新建-->就绪过程，进程会向操做系统申请内存和PCB，同时将进程排入队列使得这个很是的简单。
• 就绪-->运行过程，操做系统须要向进程分配CPU资源使得程序运转。反过来则是由于某些缘由使得进程再也不占用CPU，一般是时间片用完。
• 运行-->阻塞过程，一般是有了一个I/O请求致使了进程的阻塞中断。
• 阻塞-->就绪过程是I/O完成后从新唤起进程，使进程从新进入就绪队列
• 运行-->完成则是归还内存并删除PCB。

在状态转变的时候，一般就是要实施如下三步：

• 分配（申请）内存或CPU
• 回收
• 修改PCB

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