深刻理解计算机系统（二）

进程

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进程是计算机科学中最成功，最深入的概念之一。

在咱们运行一个程序时，一般会有这样一个假象，就好像咱们的程序是当前惟一运行的程序同样，它是独占 CPU 和内存的，程序的指令在处理器上一条一条地执行，最后，咱们的程序就好像内存中惟一一个对象，这些假象都是进程的概念给咱们提供的。

• 一个独立的逻辑控制流，它提供一种假象，就好像咱们的程序独立地使用处理器。
• 一个独立的私有地址空间，它提供一种假象，好像咱们的程序独立地使用内存系统

逻辑控制流

处理器的一个物理控制流被分为三个逻辑流，每一个进程一个。每一个竖直的条表示逻辑流的一部分。三个逻辑流的执行是交错的。关键在于进程是轮流使用处理器的，每一个进程执行它的流的一部分，而后被抢占 [暂时挂起] 。

并发

一个逻辑流在执行的时间上与另外一个发生重叠，就称为并发流。多个流并发的执行称为并发。一个进程和多个进程轮流地运行称为多任务。一个进程执行它的部分逻辑流的每一时间段称为时间片。

私有地址空间

进程为每一个程序提供一个假象，好像它单独地占用系统地址空间。进程为每一个程序提供它本身私有的地址空间。 每一个地址空间的底部是保留给用户的，一般包括栈，堆，数据和代码。地址空间的顶部是保留给内核的。

内核模式和用户模式

一个运行在内核模式的进程能够执行指令中的任何指令，访问系统中的任何内存空间。没有设置模式时，进程就处在用户模式，此时的进程不容许执行带有特权的指令，如中止处理器，发起一个 I/O 操做等。也不容许访问内核区的代码和数据。

上下文切换

操做系统的内核使用一种上下文切换的形式的控制流来实现多任务。内核会为每个进程维持一个上下文，上下文就是内核从新启动一个被强占的进程说须要的状态。在进程执行的某些时刻，内核能够决定抢占当前进程，并从新开启一个先前被抢占了的进程，这种行为叫作调度，这个时候就会发生上下文切换。若是系统由于某个调用而发生阻塞，那么内核可让这个进程休眠，切换到另外一个进程。好比，一个 read 系统调用访问磁盘，内核能够选择上下文切换，运行另外一个进程，而不是等待数据从磁盘到达。

建立和终止进程

进程通常有三种状态

• 运行。要么在 CPU 上运行，要么被等待执行且最终会被内核调度。
• 中止。进程的执行被挂起，且不会被调度。当收到某种信号时，才会被从新调度，而后再次运行。
• 终止。进程永远的中止了，通常进程中止有三个缘由

1. 收到一个信号，该信号终止进程
2. 从主程序中返回
3. 调用 exit 函数

在 unix 系统中，建立一个子进程是 fork 函数。新建立的子进程与父进程几乎但不彻底相同，子进程能够获得与父进程用户虚拟地址空间相同的一份副本(独立地)，包括代码、数据、栈和堆。子进程还能读写父进程打开的文件，他们之间最大的区别就是有不一样的 PID。

parent 0

child 2

• 相同可是独立的地址空间 父进程和子进程的地址空间都是相同的，他们的用户栈、堆、全局变量、代码都是同样的。因此，在第 6 行fork函数返回时，x在两个进程的值都是 1。然而，他们却都有独立的地址空间。后面，父进程与子进程对 x 的操做也都是独立的，这就是后面两个 x 的值不一样。