操作系统学习笔记——进程（1）进程的调度

操作系统学习笔记——进程（1）进程的调度

1. 进程概论

一般的，在称呼cpu活动时，批量处理操作系统执行作业（job），而分时系统使用用户程序（user program），或任务（task）…
以上种种类似的活动，我们都可统称为进程。
总得来说，进程的范围较大：可是是执行的程序，也可是当前活动，以及进程堆栈（Stack）（包括临时数据，如函数参数、返回地址和局部变量等等），以及数据段（比如局部变量），甚至是堆（Heap）（在进程运行时动态分配的内存）；
进程在运行时会产生许多进程；
进程本身也可作为一个环境，来运行其他代码，以大家比较熟悉的Java运行机制来举例：
我们都知道，Java程序是先编译为一个class文件，然后在JVM上运行的，比如编译一个Java程序java1.class，我们一般输入：

java java1//java是命令，java1是主类名

命令java将JVM作为一个普通程序来运行，而这一进程将会在JVM中执行Java程序java1.

2.进程的相关概念

2.1进程状态
进程的状态一共有五种：
新的 new ：进程正在创建；
运行 running：指令正在执行；
等待 waiting：进程正在等待某个事件；
就绪 ready：进程等待分配处理器；
终止 terminated：进程已经完成执行。
其相互间关系可用如下图表示：

其中最重要的便是：一次只有一个进程处于running，但是可以有多个进程同时waiting或者ready
2.2PCB
即进程块控制（Process Control Block ）。PCB可以理解为一个存储信息的仓库，且这些信息随着进程的不同而不同。
下面就是一个典型的PCB例子：

2.3线程 Thread
相信许多人第一次接触线程这个概念是在Java的多线程编程中，那么究竟何为线程？
前文已经提及，操作系统中只能同时有一个进程处于Running的状态，但由于现代操作系统的扩展，使得在只有一个进程的同时，又能有多个线程在运行。
例如：在打字输入时，只有输入一个进程，但同时又有出错检查、保存的线程在同步执行。
简而言之，线程就是能同时运行的程序。且在支持线程的os中，PCB被扩展到包括每个线程的信息。

3.进程的调度

我们都知道，设计一个分时操作系统的目标便是能最大程度的利用CPU的性能，这便需要在进程间快速切换CPU。为实现这个目标，我们需要用到进程调度器（Process Scheduler）。调度器的实现依靠队列这一数据结构来实现。
3.1调度队列 Process Queue
一般地，调度队列有三种：
1）作业队列 Job Queue
当进程进入系统后会被加入该队列中；
2）就绪队列 Ready Queue
内存中的、就绪状态的、等待运行的队列放置于此。这个队列的实现一般用链式存储结构：每个头结点含有两个指针，用于指向链表的第一个和最后一个PCB块；同时每个PCB还有一个指针，指向就绪队列的下一个PCB。
3）设备队列
用于等待特定I/O设备的队列。每个设备都有自己的设备队列。
（所以说，如果数据结构没学好学OS真的很吃亏。。。）
3.2进程调度的进程
先加入就绪队列，等待被选中执行或者分派（Dispatched）。当CPU执行进程时，有以下几种情况：

• 进程发出I/O请求，并被放入这一队列；
• 进程可能创建了一个子进程，并等待其终止；
• 进程可能由于中断而强制释放CPU，并回到就绪队列。

3.3调度程序方式 Scheduler
前面提及了调度队列，而不同调度队列间的迁移实现依靠调度器或调度程序来执行。
调度程序一般被保存到大容量存储设备（磁盘）的缓冲池中等待执行，一般有以下五种：
1）长期调度程序 Long-term Scheduler
控制多道控制程序的，且由于每次执行之间有较长的时间间隔，使用长期调度程序可承担更多的事件负担，做进程的选择。该程序从进程池中选择进程.有的系统受于物理性质，可能极少或没有采用长期调动，比如UNIX或WINDOWS的分时系统；
2）段期调度程序 Short-term Scheduler
与长期调度程序相对应，其执行较为快速。该程序从准备执行的进程中选择进程；
3）I/O密集型进程 I/O-bound Process
顾名思义，执行I/O比执行计算花费的时间要长；
4）CPU密集型进程 CPU-bound Process
与I/O的相对应，更多时候用于执行计算任务；
5）中期调度程序 Medium-term Scheduler
某些操作系统额外引入。其核心思想是将进程从内存或CPU竞争中移出，从而降低多道程序的调度；之后又再次调入内存，并从中断处继续执行。这种方案被称作交换（swap）。当然，这有涉及到了内存的释放问题，此处不作讨论。
需要指出的是：I/O密集型进程与CPU密集型进程并非两个独立的概念，大多数进程都可归入这两类。
3.4上下文切换
由于操作系统中中断机制的存在，当中断发生时，系统需要保存当前运行在CPU上的进程的上下文，以便在处理后执行恢复/挂起。上下文切换涉及以下几个概念：

• 状态保存 state saving，保存CPU当前状态（包括内核和用户模式）
• 状态恢复 state restore，重新运行中断的进程
• 上下文切换 context switch，切换CPU到另外一个进程，即同时执行以上两个任务。上下文切换涉及到的只是时间的开销，其快慢视处理器的性能而定（如寄存速度、寄存器数量）

4.总结

进程是计算机操作系统中一个宏观的概念，可用作许多活动的描述。进程在执行时，只能有一个进程处于Runinng状态，但可有多个进程Wating及Ready，同时在现代OS中，还引入了多线程的概念。进程的调度和存储依靠的是队列这种数据结构，保证了进程调度的有序性。在主流的操作系统中的调度程序，最常用的是短期调度程序，且可视其对I/O设备和CPU设备的使用率分为I/O密集型进程和CPU密集型进程。而上下文的切换，涉及到了中断操作（我会在日后的博客中补上这一部分笔记），其效率也视寄存器的性能而定。
（第一篇OS博客，感谢阅读）