操作系统概念——进程

概念

进程

进程是执行中的程序，这只是非正式的说法。进程不只是程序代码，程序代码称为文本段（代码段），还包括当前活动，通过程序计数器的值和处理器寄存器的内容来表示。此外，进程还包括进程堆栈段（临时数据、函数参数、局部变量、地址）和数据段（包括全全局变量。还可能包括堆（leap），是在进程运行期间动态分配内存。

程序是被动实体，如存储在磁盘上包含一系列指令的文件内容（可执行文件），而进程是一个活动实体，他有一个程序计数器来表示下一个要执行的命令和相关资源集合。

虽然两个进程可以与同一程序相关，如同一用户调用的不同web浏览器副本，但他们是独立的进程。尽管代码段相同的，但数据段、堆栈等却不同。

进程状态

进程状态:

• 新的：进程正在被创建
• 运行：指令正在被执行
• 等待：进程等待某个事件的发生（如I/O完成或受到信号）
• 就绪 ：进程等待分配处理器
• 终止 ：进程完成执行

一次只有一个进程可以在一个处理器上运行，但多个进程可以处于就绪或等待状态。

进程控制块

进程在操作系统内用进程控制块（process control block,PCB)来表示，PCB包含了进程状态、程序计数器、cpu寄存器、cpu调度信息、内存管理信息、记账信息、I/O状态信息等信息。

进程状态： 状态可包括新的，就绪，运行，等待，终止等。
程序计数器 ： 计数器表示进程要执行的下个指令的地址。
CPU寄存器： 与程序计数器一起，这些寄存器的状态信息在出现中断时也需要保存，以便进程以后能正确的执行。
CPU调度信息：这类信息包括进程优先级、调度队列指针和其他调度参数。
内存管理信息：根据内存系统，这类信息包括基址和界限寄存器的值，页表或段表。
记账信息：这类信息包括CPU时间、实际使用时间、时间界限、记账数据、作业或进程数量等。
I/O状态信息：这类信息包含分配给进程的I/O设备列表、打开的文件列表等。

进程调度

多道程序设计的目的是无论何时都有进程执行，从而使cpu利用率达到最大。分时系统的目的是在进程之间快速切换cpu以便用户在程序运行时能与其进行交互。为达到这一目的，进程调度选择一个可用的进程到cpu上执行。单处理器系统从不会有超过一个进程在执行。如果有多个进程，那么余下的则需要等待CPU空闲并且重新调度。

调度队列

进程进入系统时被加入到作业队列中，该队列包含系统中所有进程。驻留在内存中等待运行的程序保存在就绪队列中，该队列常用链表来实现，其头节点指向链表的第一个和最后一个PCB块的指针。每个PCB包括一个指向就绪队列的下一个PCB的指针域。

在linux 中每一个进程都由task_struct 数据结构来定义. task_struct就是我们通常所说的PCB，还包含有指向父进程和子进程的指针。例如，进程的状态就是通过这个结构中的long state字段来表示的。

在Linux内核里，所有活动的进程是通过一个名为task_struct的双向链表来表示的，内核为当前正在运行的进程保存了一个指针。

如内核想把当前运行的进程状态值修改成 new_state。如果current是指向当前进程的指针，则：

`current -> state = new_state;“

操作系统也有其他队列。等待特定IO设备的进程列表称为设备队列。每个设备都有自己的设备队列。

新进程开始处于就绪队列，它就在就绪队列中等待直到被选中执行或被派遣。当进程分配到cpu执行时，可能发生：

a.进程发出一个IO请求，并放到IO队列中。

b.进程创建新的子进程，并等待其结束

c.进程由于中断而强制释放cpu，并被放回到就绪队列中

对于前两种情况，进程最终从等待状态切换到就绪状态，并放回到就绪队列中。进程继续这一循环直到终止，到那时它将从所有队列中删除，其PCB和资源将得以释放。

调度程序

进程会在各种调度队列之间迁移，为了调度，操作系统必须按某种方式从这些队列中选择进程。进程的选择是由相应的调度程序（scheduler）来执行的。

通常批处理系统中，进程更多的是被提交，而不是马上执行。这些进程通常放到磁盘的缓冲池里，以便以后执行。长期调度程序或作业调度程序从该池中选择进程，并装入内存以准备执行。短期调度程序或cpu调度程序从准备执行的进程中选择进程，并为之分配cpu。

这两个调度程序的主要差别是调度的频率。

短期调度程序通常100ms至少执行一次，由于每次执行之间的时间较短，短期调度程序必须要快。

长期调度程序执行的并不频繁，所以长期调度程序能使用更多的时间来选择执行进程。长期调度程序控制多道程序设计的程度（内存中进程的数量）。长期调度程序必须仔细选择执行进程。通常，绝大多数进程可分为：I/O为主或CPU为主。I/O为主的进程通常执行I/O方面比执行计算花费更多时间，另一方面，CPU为主的进程很少产生I/O请求。为使系统达到平衡和更好的性能，长期调度程序应当选择一个合理的包含ＩＯ为主的和ｃｐｕ为主的组合进程以充分使用设备和短期调度程序。

对于Linux和Windows系统通常没有长期调度程序，这些系统的稳定性依赖于物理限制，如果系统性能下降很多，会有用户的退出。

有的系统如分时系统，可能引入中期调度程序，其核心思想是能够将进程从内存中移出，从而降低多道程序设计的程度，之后进程可以被换入。

上下文切换

中断使CPU从当前任务改变为运行内核子程序。当发生一个中断时，系统需要保存当前运行在CPU中进程的上下文，从而能在其处理完后恢复上下文。进程的上下文用PCB来表示。通常通过执行一个状态保存（state save）来保存cpu当前状态，之后执行一个状态恢复（state restore）重新开始运行。

将CPU切换到另一进程需要保存当前状态并恢复另一进程状态，这叫做上下文切换（context switch）。当发生上下文切换时，内核会将旧进程的状态保存在PCB中，然后装入经调度要执行的并已保存的新进程的上下文。

上下文切换时间是额外开销，因为切换时系统并不能做什么有用的工作。其切换时间与硬件支持密切相关。

详细参见：

https://www.geek-share.com/detail/2641884860.html