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约 1260 个字 预计阅读时间 6 分钟

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)：被动态分配的内存
    4. heap (dynamically allocated memory)：栈，存储一些临时的数据，如函数传参、返回值、局部变量等
    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

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