操作系统学习笔记三 进程

进程，执行中的程序。进程的概念产生，是因为现代计算机系统允许多个程序调入内存并发执行。

具体来说，进程是执行中的程序，除了程序代码，还包括该程序的当前活动，包括程序计数器的值，处理器的寄存器内容，堆栈段（临时数据，如函数参数，返回地址，局部变量等）和 数据段（全局变量），可能还有堆（进程运行期间动态分配的内存）。

程序本身不是进程，程序是被动实体，而进程是活动实体。同一个程序，可以同时对应多个进程，但进程之间是独立的。进程与程序的关系，就类似对象与类的关系。

1、进程控制块（PCB)

进程在操作系统内用进程控制块来表示。

PCB包含一系列进程信息：

进程状态：新建、就绪、运行、等待、停止

程序计数器：进程要执行的下个指令地址

CPU寄存器

CPU调度信息：优先级等

内存管理信息：

记账信息：CPU时间、实际使用时间、时间界限、记账数据、作业或进程数量

IO状态信息

进程调度

为使CPU使用率达到最大化，操作系统在进程之间快速切换CPU以便用户在程序运行时能与其交互。进程调度负责选择一个可用的进程到CPU上执行。

1、调度队列

调度队列又称为作业队列。作业队列包括就绪队列、设备队列（IO队列）。

驻留在内存中，准备就绪，等待运行的进程保存在就绪队列

等待IO设备的进程列表称为设备队列

队列通常用链表来实现：头节点指向第一个和最后一个PCB；每个PCB指向下一个。

进程首先会进入就绪队列；分配了CPU后，开始执行；顺利的话，一口气最终完成；或者被中断，强行释放CPU，重新回到就绪队列；或者等待特定事件发生（如完成IO请求）。请求IO时，如果有许多进程都进行请求，那么进入设备队列，依次执行。也有的会创建子进程，等待其结束；

2、调度程序

进程调度程序分为长期调度程序和短期调度程序。

长期调度程序负责将进程从缓冲池中调入就绪队列或IO队列；短期程序负责为进程分配CPU，执行。

长期调度程序执行频率不频繁，关键在于在CPU为主和IO为主两个队列的安排中取得平衡；

也有的操作系统会有中期调度程序。负责将中断后的进程从就绪队列中换出，时机成熟时再换入，从中断处再执行。看上去，只有长期、短期调度程序的操作系统，进程一旦被执行，那么一直在就绪队列、CPU之间切换，直到执行完毕，不会中途退出一说。中期调度程序，可以在内存使用过度的情况下，缓解一点。

3、上下文

中断、进程切换，都涉及到上下文。进程上下文用PCB表示，用于中断或切换前的状态保存，到重新执行的状态恢复。上下文切换速度与硬件有关。上下文切换，系统并不能做什么有用的工作。

进程创建

进程在执行过程中，可以创建新进程。那么这个进程称为父进程，新建的进程为子进程。同理，子进程又可以创建自己的子进程，子子孙孙，无穷匮也，形成进程树。

大多数操作系统使用进程标识符（PID）来识别进程。

通常，进程需要资源来完成任务（如CPU时间、内存、文件、IO设备）。在创建子进程时，子进程可能从操作系统获得资源，也可能从父进程获得。限制子进程只能使用父进程的资源可以防止创建进程过多，导致系统超载。

另外，创建之时，初始化数据也由父进程传递给子进程。

子进程创建之后，有2种执行可能：

1）父子进程并发执行

2）父进程等待子进程执行完毕再执行

子进程的地址空间也有2种可能：

1）子进程是父进程的克隆，这样父子有相同的程序和数据

2）子进程装入新程序，另起炉灶

Unix中，通过fork()函数来开辟新进程。fork，分叉的意思。系统调用该函数，返回值为0；父进程调用，返回新进程的PID，这样便于父进程对它进行控制。Windows有类似机制，但Unix是子进程为父进程的复制品（上述情况1？），而WINDOWS则要传很多参数给新进程（上述情况2？）

进程终止

进程可以终止自身；也可以由其他进程调用相关系统服务终止，但通常只能由父进程进行这样的调用，避免360与腾讯互相攻击。

父进程终止子进程有许多理由，如：

1）子进程使用资源太过

2）子进程的任务已out

3）父进程终止

进程通信

进程之间往往需要协作，理由：

1）信息共享

2）并行，提高运算速度(需要多CPU或I/O通道)

3）模块化

4）多任务

进程协作 需要通信机制（interprocess communication,IPC）。有两种基本模式：

1）共享内存

2）消息传递

消息传递处理简单，但速度不如共享内存快，适合交换数据量少，或者用在分布式系统

共享内存速度快，可处理比较多的数据量，不过有同步问题，处理机制较为复杂

两种模式应用都很广泛，并且许多操作系统同时具备这两种模式。

共享内存机制，生产者、消费者模式；

消息传递机制，系统提供，采用邮箱进行中转。这里所说的邮箱，并非我们常说的邮箱，应该是借喻为一种中转机制。

客户机-服务器系统通信

客户机-服务器通信可以使用共享内存、消息传递进行通信，也可以使用Socket、远程过程调用（PRC)和Java的远程方法调用（RMI)。

socket

套接字，通信的端点，由IP地址与端口号组成。一对进程进行网络通信，需要使用一对socket，通常一个做服务器，一个做客户端。服务器通过监听指定端口，收到请求，接受连接，即可完成连接，进行通信矣。凡1024以下的端口，都被认为是实现了标准服务的端口。所以，我们要用的话，可以用大于1024的端口。

RPC

远程过程调用。

类似于IPC机制，但交换的消息有很好的结构，用做传递给函数的参数。跟Socket一样，也是通过端口来进行消息的传送。说不定，就是socket在做底层支持。

RPC的机制，是服务器端在客户端有一个存根，客户端要调用服务器端的方法，就通过这个存根。这个存根代办参数的准备，发送，接收。然后服务器端也有个存根，做相关处理工作。

RPC有几个问题处理：

1）机器之间的数据表示可能有差异

2）保证远程调用的有且只有一次，一是避免重复调用；二是要保证有调用。前者用时间戳；后者用ACK（确认字符），客户端周期性向服务器发出PRC调用，直到收到服务器的ACK回应为止。

RMI

JAVA的RPC机制。

与普通RPC最大的区别就是，它的参数可以是对象。传递的对象如果是引用远程对象，不必多言；如果是本地，需要传递给对方，那么要序列化。

PRC面向过程，RMI面向对象，支持调用远程对象的方法。除此而外，存根为远程对象的代理，驻留于客户机中。