进程的初识

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操作系统的定义

操作系统是一个搞管理的软件

• 对上，要对硬件设备管理
• 对下，要给软件提供稳定的运行环境
• 操作系统是软件 硬件 用户之间交互的媒介
  常见的操作系统：Windows linux mac Android(本质上也是linux) IOS(和mac同宗同源)

操作系统的定位

一个应用程序想要操作一下硬件设备。就需要先通过系统调用，把操作系统命令告诉给系统内核，内核调用驱动程序，进一步的操作操作系统

进程包含线程
一个进程包含一个及以上的线程
进程是资源分配的基本单位
线程是系统调度的基本单位

进程

进程的概念

概念：一个跑起来的程序就是一个”进程“
电脑上有一个.exe 可执行程序。但是没有去运行它,没有运行的就不是进程(没有运行起来的叫做程序)

进程(process)也叫做任务(task)
Ctrl + Alt + delete => 打开任务管理器

上面每一个运行中的程序就是进程

每个进程都对应一些资源进程是操作系统资源分配的基本单位

进程调度的过程

进程调度是指操作系统按某种策略或规则选择进程占用CPU资源进行运行的过程。

硬件资源，内存，硬盘，网卡都好分。但是cup资源不好分！！
进程有上百个之多，但是cpu市面上流行的电脑都是多核cpu，多核大都是8核或者16核。

上图就是一个八核电脑。八核cup和几百个进程明显不够分，狼多肉少。
这些进程，是希望能够同时运行
但是计算机并不能同时运行，计算机真正做到的是分时复用
分时复用分为并行和并发
并行：微观上同一时刻，两个核心上的进程，就是同时进行的
并发：微观上，同一时刻，一个核心中只能运行一个进程，但是它能够对进程快速的进行切换。

比如在cpu核心上，先运行一下qq，再运行一下微信，再运行一下idea…只要切换的速度足够快(我的电脑3.2GHz,每秒运行32亿条指令)，宏观上人感知不到，人们看起来感觉好像几个程序在同时运行。就好比电脑屏幕刷新的频率大都是60Hz，屏幕并不是连续的，但是刷新频率大于眼睛的反应，人看电脑屏幕就好像是连续的

并行和并发是由操作系统内核处理的，应用程序(程序员)感知不到，因此我们也把并行和并发统称为并发
除非有显式声明，否则谈到并发，并发 = 并行 + 并发
操作系统里有一个重要的模块调度器，就来负责让有限的CPU来调度执行这么多的进程

进程的管理

进程是一个重要的软件资源，是由操作系统内核负责管理的

管理：组织 + 描述

描述

描述：用结构体(C语言的结构体)来描述进程的属性。
因为操作系统基本上都是C/C++来写的，所以用C语言结构体来描述。
PCB：用来描述进程的这个结构体叫做进程控制块也叫做PCB,这是一个结构体,注意不要和硬件中的PCB板弄混

组织

通过双向链表,把多个PCB串联在一起。(并不是一个单纯的双向链表)

• 创建一个进程,本质上就是创建一个PCB这样的结构体对象，把它插入到链表中。
• 销毁一个进程,本质上就是把链表上的PCB结点删掉
• 任务管理器查看进程列表，本质上就是遍历整个PCB链表

PCB描述进程的特征

pcb中包含的属性非常非常多，下面只介绍最核心的属性

1. pid 进程身份标识符(唯一的数字)
2. 内存指针 指向了说内存是那些
3. 文件描述符表 硬盘上的文件等其他资源 (2和3描述了进程有哪些硬件资源)
4. 进程调度相关属性:
   • 进程的状态
   • 优先级
   • 上下文
   • 记账信息

进程调度的相关属性

进程通过调度器对其以并行+并发的形式进行调度。但是它也需要PCB对他提供帮助。PCB就记录进程调度的相关属性。

一个很有名的日本游戏叫做约会大作战，里面的男主角五河士道通过与女生约会来拯救世界。假设现在有ABC三个女生，让男主角和他们约会，还不能让他们相互知到对方的存在就需要合理的安排，但是每个妹子的状态不同，有的妹子暂时有事，有的妹子正在准备和你约会，有的妹子正在和你约会，每个妹子的状态不同所以得记录妹子们的状态，每个妹子不能平均分配时间有的是新攻略的需要多花时间培养感情，有的已经交往了很久有了深厚的感情，就可以先往后放放。每个妹子的约会是有优先级的。和很多女生约会得记录他们的交往的进度和信息，假如A女生说她想去海边旅游了，让你给他准备准备。B女生说亲戚结婚了想让你给她挑一件礼服。但是你没有记录上下文，
A女生问：你准备好了嘛？
主角回答：给你准备了件礼服
B女生问：你准备好了嘛？
主角回答：给你准备了件泳衣
这样就露馅了，所以必须得记录上下文来避免出现错误而导致功亏一篑
主角和ABC交往了一段时间，要每隔一段时间来做个总结，统计一下在每个人身上花费的精力，以此为标准保持好尺度，不能太近也不能太远。

以这个小故事用来理解进程的相关属性

进程的状态

进程的状态主要有下面三种

• 就绪状态: 随叫随到，进程随时准备好了去CPU上执行
• 运行状态:正在CPU上执行
• 阻塞状态:短时间内无法到CPU上执行，比如 进程 正在进行密集的IO操作，读写数据

优先级

先给谁排，后给谁排，给谁排的多一点，给谁排的少点。
进程也是有优先级的，操作系统的调度并不是一碗水端平的

上下文

操作系统在进行进程切换的时候，就需要把执行的中间状态记录下来，保存好。下次这个进程再上CPU上运行时，就可以恢复上次的状态好继续执行下去。
读档，存档
上下文的本质上就是你存档的内容。
进程的上下文，就是cpu各个寄存器¹的值。

保存上下文：就是把这些CPU寄存器的值，记录到内存(PCB)中。
回复上下文：就是把内存中的这些寄存器中的值恢复回去

记账信息

操作系统，统计每个进程在cpu上的时间和指令数目，根据这个来决定下一阶段如何调度。

进程的虚拟空间地址

进程之间可能会相互影响,
引入虚拟地址空间，地址越界就能及时发现
进程中获取的内存地址,并非是真实的物理内存地址，而是经历了一层抽象，虚拟出来的地址。

实际空间地址

在C语言中我们学到了指针的概念，C语言指针指向的也是虚拟地址并不是实际空间地址。
内存(内存物理上是个内存条)可以存储很多数据。内存可以想象成一个大走廊，走廊非常长，有很多房间，每个房间的大小为1byte，每个房间还有编号，从0开始以此累加，这个内存编号就是地址，这个地址就认为是物理地址

内存有个了不起的特性，随机访问，访问内存上任意地址的数据，速度都极快，时间上都差不多，正是这个特点，造就了数组取下标操作时间复杂度是O(1).

假设进程1和进程2分别占据内存空间如上地址，如果进程1的代码不小心出BUG，就可能导致访问的内存就越界了。不小心指变量，变成了0X5000,明明是进程1的BUG却把进程2给搞坏了！！，很可能你的程序一运行qq崩了，百度网盘崩了……
如果代码相安无事还好，一旦出现BUG了，此时的影响非常严重。

虚拟地址空间

针对进程使用的内存空间，进行隔离引入了虚拟地址空间，代码不再直接使用真实的物理地址了，而是使用虚拟地址空间。由操作系统和专门的硬件设备进行虚拟地址到物理地址的转换。

虚拟空间地址，主要是为了避免进程直间的相互影响。

进程间的通信

虽然进程隔离了，但是又引入了新的问题。有些时候确实进程之间，需要进行数据的交互。
在隔离性的基础上开个口子。进程通信，实现方法很多，但核心思路是一致的。需要搞一个多个进程都能访问到的公共空间，基于这个公共空间来进行数据的交互即可。
这个就好比与现在疫情期间，有需要隔离的人外面和送餐人员不能直接接触，就需要把食物放在一个公共空间，然后等隔离人员下来就可以在这个公共空间取餐
通过公共空间，来完成进程间的数据交互，使用文件，使用网络

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1. 各个寄存器 :CPU内置的存储数据的模块，保存的就是程序运行过程中的中间结果 ↩︎