在现代计算机系统中,进程是一个核心概念,它代表了程序的执行实例。通过并发执行多个进程,计算机能够提高效率和资源利用率。
进程是指在计算机系统中正在执行的程序的实例。每个进程都有自己的地址空间、寄存器集合、堆栈和文件描述符等资源。进程的创建和销毁由操作系统负责管理。进程可以独立运行,也可以与其他进程进行通信和协作。进程是操作系统分配资源的基本单位。
进程是类似于对象,有一些属性,所以需要 像 类/结构体 这样的概念来描述它
操作系统大多是 C/C++实现的,所以进程的描述大多使用的是结构体 (没有Java写的操作系统)
表示进程信息的结构体,被称为 PCB (进程控制块, Process Control Block)这个概念在说有操作系统中是通用的,说有的操作系统中的进程都可以被称为PCB,不过具体对应的结构体名称可能会有不同,例如Linux 中该结构体名称 为 task_struct
在操作系统中所有进程都会被以一定的数据结构进行组织起来, 例如 在Linux 中,使用的是链表把所有的进程给串联起来,当我们看到任务管理器中的进程时,意味着系统内部就在遍历链表,并打印每个节点的相关信息。
如果运行一个新的程序,于是系统中就会多一个进程,多出的这个进程,就需要构造出一个新的 PCB 并且添加到链表上
如果某个运行的程序,退出了,就需要把对应的 PCB 从链表中删除, 并且销毁对应的 PCB 资源
一个CPU可能有一个核心可能有多个核心,在同一时刻,一个核心上只能有一个进程,以我的电脑为例:
我的电脑有16个逻辑核心,也就是说,同一时刻我的电脑上只能运行16个进程,但是我电脑上却不止运行了16个进程,于是就引出了一个概念 分时复用(并发):让多个进程轮流在核心上运行。
假设只有一个核心,让进程1先执行一会,然后让进程2执行, 然后进程三执行.....然后又到进程1执行,以此类推,只要切换的速度足够快人是感知不到这个切换的过程的,于是在人眼中看起来,一个核心在同时执行多个进程,这就叫做并发
如果有多个核心 ,那么同时就可以有多个不同的进程,同时执行,这种同时执行不是靠快速切换来模拟出来的,称为“并行执行” ,每个核心任然会进行分时复用。
现在的计算机执行过程 往往是 并行+并发 同时存在的, 两个进程是并行执行还是并发执行 是看系统的调度的,系统如何调度,取决于系统调度器模块的实现,常规手段是无法干预的。因此往往把“并行” 和 “并发” 统称为“并发”
我们打开任务管理器看见进程所占的CPU百分比是单位时间内 该进程在CPU上执行的时间比例
PCB 这个结构体,是一个非常庞大的结构体,有上百个属性,这里我们只需要了解几个重要的属性
每个进程都有一个唯一的PID,用于标识和管理进程,此处是通过一个整数来进行区分的(从1开始累加),系统会保证同一个机器上,同一时间,每个进程的PID是唯一的,如果要对某个进程进行一定的操作,就可以用PID进行区分
例如:在任务管理器中选中某个进程点击结束任务,此时就是任务管理器获取到你选中的进程的PID 然后带哦用一个系统的 API 把 PID 作为参数传进去 从而完成这里的结束任务的操作。
进程运行过程中,需要消耗一些系统资源,其中内存就是一种重要的资源。进程想要使用内存需要从系统这里申请,系统给进程分配了一块空间才能使用。每个进程都只能使用自己申请到的内存。
内存指针就是用来描述这个进程,能使用哪些内存。
当开始运行一个进程的时候,系统会先把这个执行文件包含的指令和数据先加载到内存中,然后再创建进程,让进程开始执行
进程经常要访问硬盘
操作系统对于硬盘这样的硬件设备进行了封装 ->"文件"
一个进程想要操作文件,需要先打开文件 ,打开文件就是 让进程在文件描述符表中分配一个表项(构造一个结构体)表示这个文件的相关信息,例如C语言中的 fopen函数
描述,某个进程,是否能够 去 CPU上执行,比如某个进程 通过Scanner等待用户输入,但是用户什么时候输入是不确定的,所以在用户输入前就不能让这个进程在CPU上
此时这个进程的状态就被称为 “阻塞状态”
阻塞状态:当前进程不方便去CPU上执行,不应该去调度它
就绪状态:当前进程随时可以去CPU上执行,等待系统调用
多个进程等待系统调度时,调度的先后顺序,在CPU上执行的时间长短都是可以调配的。
例如在你玩游戏时,当前运行的游戏,优先级肯定是比大多数进程更高的。
对每个进程在CPU上调度的时间进程一个统计 ,针对这个结果对进程的调度进行一个调整
上下文是支持进程调度的重要信息,相当于游戏的存档和读档。
每个进程在运行过程中,会有很多的中间结果,在CPU的寄存器中,操作系统对进程的调度可以认为是随机的,任何一个进程执行到任何一条指令的时候都有可能被调度出CPU,上下文就可以保存当前进程执行的进度,确保下次该进程再次进出CPU执行时,能够从上次被调度出CPU时的进度开始执行。
例如:执行 3 + 14时,刚把 3 和 14 存到寄存器中,这个进程就被调度走了,等这个进程再次进入CPU执行时,就会直接执行后续的指令,不会再次执行 把3 和 14 存到寄存器的指令
当操作系统决定切换到另一个进程时,需要保存当前进程的上下文信息,并加载下一个进程的上下文。
多个进程之间需要进行通信和协作,以实现共享资源、数据传输和协同处理等目标。常见的进程间通信方法包括: