操作系统概念——第3章 进程

本章重难点

（1）内存映像
（2）状态与上下文
（3）状态转换图
（4）内核数据结构
（5）PCB

3.1 进程的概念

（1）进程的定义：
进程是运行的程序实例
（进程可以理解是对CPU的抽象化）

（2）区分：程序(program)、进程(process)、处理器(processor)

① 程序：是被动实体（静态），存储在磁盘上的可执行文件
② 进程：是活动实体（动态），有一个程序计数器PC表示下一条要执行命令的地址
③ 处理器：CPU

3.2 内存映像

（1）内存中进程结构：

（2）问题：程序如何转换为进程

① 当一个可执行文件被装入内存时，程序才能成为进程
理解：操作系统定义了可执行文件的格式（WIN:PE LINUX:ELF），编译器描述了可执行文件在内存中的规范。可执行文件（描绘未来在内存的样子）通过加载器解析（代码数据载入内存）成为了进程

3.3 内核数据结构

（1）进程控制块：
每个进程在操作系统内用进程控制块（PCB）来表示

理解：
① 每个进程对应一个PCB
② PCB是操作系统管理进程创建的数据结构，PCB属于操作系统内核存储在内存中，而非进程本身
③ 上下文=程序计数器+寄存器

3.4 进程状态与上下文

3.4.1 进程状态

（1）5个基本状态
新的(New)：进程正在被创建
阻塞(Waiting)：进程等待某个事件的发生
就绪(Ready)：进程等待分配处理器
运行(Running)：进程正在被执行
终止(Terminated)：进程完成执行

（2）进程状态图

关注状态与状态之间的转换关系

3.4.2 上下文

假设：CPU内所有寄存器的值都会对指令造成影响
析：CPU从指令寄存器中读出下一条指令的地址，执行时CPU内寄存器可能对指令产生影响。而操作系统无法知道哪些寄存器会对该指令造成影响。
（1）定义：
CPU内所有寄存器的值构成了上下文

（2）上下文转换

一个事件可能有多次进程转换，因为信息在进程和进程之间是不同的，所以需要上下文转换。

理解：如何进行上下文转换（PCB的信息存储机制）
（1）当前处于Running状态的进程的信息保存在CPU中，不需要PCB另外保存
（2）当发生状态转化(Running–>Waiting)时，发生系统调用，PC指向中断服务管理程序。 程序将CPU寄存器的值（该进程的上下文）复制到PCB中，并采样进程调度算法选择下一个运行的进程。

3.5 进程的创建和终止

3.5.1 进程的创建

进程在执行过程中，能通过创建进程系统调用创建多个新进程。大多数操作系统根据一个唯一的进程标识符pid（整数）来识别进程。
1. fork()：
① 子进程复制父进程的地址空间（PCB、内存映像），仅pid与父进程不同
② 两个进程都继续执行fork()之后的指令。子进程fork()调用的返回值为0，父进程>0
理解：为什么限制子进程只能使用父进程的资源？
防止创建过多的进程带来系统超载

2. exec()：
① 解析另一个可执行文件，将二进制文件装入内存，覆盖原有内存映像。

（1）采用先fork()再exec()的优点

进程的创建是先复制父进程的地址空间，再解析另一个可执行文件，覆盖原有内存映像。
① 允许程序员在fork()和exec()之间操作
① 两个进程能相互通信，并按照各自的方法执行
② 父进程能创建更多的子进程
③ 如果在子进程运行时没有什么可做，父进程可以系统调用wait()把自己移除就绪队列等待子进程的终止