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Chap 3 | Processes

章节启示录

本章节是OS的第三章。

1.进程的概念

Process—正在执行的程序;流程执行必须以顺序方式进行

  • A process includes:

    1. text section (code)：存储代码
    2. data section (global vars)：存储全局变量、静态变量
    3. stack (function parameters, local vars, return addresses)：栈，存储一些临时的数据，如函数传参、返回值、局部变量等
    4. heap (dynamically allocated memory)：被动态分配的内存
    5. program counter

为什么stack核heap不往同一个方向增长

不够灵活，中间未被利用的内存可以被stack用也可以被heap用，提高了利用率。
tips：中间的部分称为hole，是一个“巨大的洞”，比图中展示的还要大的多。但实际上它只是虚拟的映射，只有当需要的时候才会转化成实际的内存。

  • process的state：

    1. new: The process is being created,正在被创建的过程当中
    2. running: Instructions are being executed
    3. ready: The process is waiting to be assigned to a processor (loaded into main memory)
    4. waiting/blocked: The process is waiting/blocked for some event to occur
    5. terminated: The process has finished execution即将被抹除前的状态

    状态转换图：

    一个例子🌰

    1. 运动员：Process:
      号码簿：Process ID
    2. 跑道：CPU core
      1. 每条跑道只能有一个运动员
      2. 运动场可以有一条/多条跑道
    3. 跑步：Running
      1. 允许打水喝
      2. 接受调度，让出跑道
      3. 离场地点必须记录以便继续
    4. 口渴下场喝水：Wait I/O
      1. 打水过程运动员处于wait状态，直到喝完才能返回运动场
      2. 打水很慢，其他人也打水
    5. 等待上跑道: Ready 状态

  • Process Control Block：Information associated with each process

    1. Process state：进程的状态
    2. Program counter：标识该进程跑到了哪里，由于进程是动态的，每一被切换都需要保证下一次能无缝衔接之前的进度，所以需要存储每次的工作状态
    3. Contents of CPU registers：保存进程相关的寄存器信息
    4. CPU scheduling information：CPU 调度参考的信息，包括优先级、调度队列的指针、调度参数等
    5. Memory-management information：包括页表、段表等信息，具体与实现的内存系统有关
    6. Accounting information：一些关于进程的动态数据的统计和记录，比如总共已经跑了多久、时间限制、进程号等
    7. I/O status information：被分配给进程的 I/O 设备列表、打开的文件列表等

先存储PCB0，再把CPU资源分配给其他进程，把PCB1加载进来，I/O做完后，会给CPU发送一个中断，CPU会处理这个中断，会把PCB1的资源存储下来，再把PCB0（处在归零状态）的状态置成“ready”，再让他进入进程队列中，最后把PCB0 load 进来，继续执行。
其中蓝色部分是CPU实际使用的时间

因此我们需要CPU的合理调度，不能让CPU换进来后很快换出，这样十分消耗资源。

2.Process Scheduling

Job queue：系统中所有进程的集合

Ready queue：驻留在主存中的所有进程的集合，准备就绪并等待执行

Device queues：等待I/O设备的一组进程

进程在各个队列之间迁移,基本结构如下：一个进程不可以同时在两个queue中排队

实际实现中，由于等待的 I/O 或事件不同，可能维护多个等待队列，于是实际过程中的情况可能如下：

2.1 Scheduler调度器

  1. Long-term scheduler(or job scheduler)：选择应该将哪些进程放入内存(就绪队列)
  2. Short-term scheduler(or CPU scheduler)：选择下一个应该执行的进程并分配CPU

非常频繁地调用Short-term scheduler(毫秒)(必须很快)，快到体感上两个程序同时执行（分时操作系统中涉及的目标）

很少调用Long-term scheduler(秒、分钟)(可能很慢)

Long-term scheduler控制 Multiprogramming 的 degree

  • 过程：

    1. I/O绑定进程：花在I/O上的时间较多;有很多短的CPU爆发

      下载

    2. cpu绑定进程：花在CPU上的时间较多;很少有长的CPU爆发

      打游戏，科学计算

  • Medium Term Scheduling:比CPU要慢，做一个暂时性的托管，涉及到磁盘的调度操作，不能做频繁的操作

  • Context Switch 上下文切换：

    1. 当CPU切换到其他进程时，系统必须保存旧进程的状态，并为新进程加载保存的状态
    2. 上下文切换时间是 overhead ;系统在切换时不做任何有用的工作——通常需要几毫秒
    3. 时间取决于硬件。在SPARC体系结构中，提供了寄存器组。

3.Operations on Processes

3.1 进程创建

父进程创建子进程，子进程依次创建其他进程，形成进程树

  • 资源共享:

    1. 父母和孩子共享所有资源
    2. 子节点共享父节点资源的子集
    3. 父节点和子节点不共享资源

  • 执行(两种方式):

    1. 父节点和子节点并发执行
    2. 父进程等待子进程终止

3.2 进程中断

  • 进程执行最后一条语句并请求操作系统删除它(退出)：

    1. 输出数据从子节点到父节点(通过等待)
    2. 进程的资源被操作系统释放

  • 父进程可以终止子进程的执行(abort)

    1. 子进程已超出分配的资源
    2. 不再需要分配给孩子的任务
    3. 如果parents退出 :
      1. 有些操作系统不允许子进程在父进程终止时继续
      2. 所有子节点终止-级联终止
      3. 在其他一些操作系统中，子进程成为孤儿——其父进程成为“init”进程(PID=1)。

4.Cooperating Processes

Independent process 不能影响或被另一个进程的执行影响

Coorperating process 可以影响或被另一个进程的执行所影响

  • Cooperating Processes的优势：

    1. 信息共享
    2. 计算加速(多cpu)
    3. 模块化
    4. 方便

  • 生产者消费者模型：生产者进程产生的信息被消费者进程消费

    1. Unbounded-buffer对缓冲区的大小没有实际限制。如果没有新产品，消费者必须等待。

    2. bounded-buffer假设有一个固定的缓冲区大小。如果缓冲区已满，生产者必须等待。

    3. Insert()方法： 

      while (true) {
    Produce an item;
    while ((in + 1) % BUFFER_SIZE   == out);
     /* do nothing -- no free buffers */
    buffer[in] = item;
    in = (in + 1) % BUFFER_SIZE;
}

    4. Remove()方法： 

      while (true) {
    while (in == out); 
    //do nothing, nothing to consume
    Remove an item from the buffer;
    item = buffer[out];
    out = (out + 1) % BUFFER SIZE;
    return item;
}

5.Interprocess Communication

IPC有两种模型:消息传递和共享内存

  • 消息传递:进程之间不借助共享变量进行通信

    1. 消息传递功能提供两种操作:

      1. 发送(消息):消息大小固定或可变
      2. 接收(消息)

    2. 如果P和Q想要沟通，他们需要:

      1. 在它们之间建立通信链接
      2. 通过发送/接收交换消息

  • 通信链路的实现:

    1. 物理(例如，共享内存、硬件总线)
    2. 逻辑的(例如，逻辑属性)

  • 直接通讯：

    1. 进程之间必须显式命名:
      1. send (P, message)——向进程P发送消息
      2. receive(Q, message)——从进程Q接收一条消息
    2. 通信链路的性质：
      1. 链接自动建立
      2. 一个链接只与一对通信进程相关联
      3. 每一对之间只存在一个链接
      4. 这种连接可能是单向的，但通常是双向的

  • 间接通讯：(快递柜的例子)

    1. 消息从邮箱(也称为端口)定向和接收。

      1. 每个邮箱都有一个惟一的id
      2. 进程只有在共享邮箱时才能通信

    2. 通信链路的性质：

      1. 仅当进程共享公共邮箱时才建立链接
      2. 一个链接可能与许多进程相关联
      3. 每一对进程可以共享几个通信链路
      4. 链路可以是单向的也可以是双向的

    间接通讯的问题

    • 邮箱共享:
      P1、P2和P3共享邮箱A
      P1,发送;P2和P3接收
      谁得到了信息?

    • 解决方案:

      1. 允许一个链接最多与两个进程关联
      2. 一次只允许一个进程执行接收操作
      3. 允许系统任意选择接收端。发送方被告知接收者是谁。

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