Operating System-Process(1)

本文阐述操作系统的核心概念之一:进程(Process),主要内容:

  1. 什么是进程
  2. 进程的创建(Creation)
  3. 进程的终止(Termination)
  4. 进程的状态(State)

一、什么是进程

1.1 基本信息

进程是执行程序的一个实例,是对正在运行的程序的抽象(Abstraction),包含当前运行程序的所有程序计数器(PC),寄存器以及变量:程序运行所需要的指令和数据。

如果说程序是一个菜谱,那么进程就是做菜的过程。

我当前系统运行的进程实例(windows 10)

如果一个程序同时运行多次,操作系统会创建多个进程(互不影响),对于操作系统来说就是有多个进程恰好在运行相同的程序而已。上图的Google Chrome就是一个例子(多个实例,互不影响,但是消耗内存资源。。)

1.2 Why Process

为什么操作系统要引入进程的概念?上面提到了隔离,但是隔离不是进程引入的首要驱动力,引入进程的首要驱动力是:增加系统的响应时间。

CPU同一个时间只能做一件事情,只能有一个进程运行在CPU上,但是为什么我们感觉电脑在同时作者很多事情呢?我们一遍在Word中打字,一遍右下角收到邮件通知。

  1. Word是一个进程(当然,打开多个则是多个进程)
  2. 邮件是一个进程

操作系采用自己的调度策略让CPU在Word和Email之间切换,由于切换的非常快,所以用户感觉CPU同时在作者很多事情,从而达到了增加系统响应的效果。

用户感觉

a、b、c进程在同时执行

实际执行

a、b、c同一时间只有一个在执行

1.3 进程调度

用一个例子说明:有一个爸爸准备给儿子做一个蛋糕,他有一份做蛋糕的菜谱,他正在按照食谱做着蛋糕,突然他儿子进来对他说:“爸爸,我要喝牛奶”。这位爸爸停下手中正在做的蛋糕,去给儿子倒牛奶,然后在微波炉加热,最后把牛奶给了儿子。最终这位爸爸又回到原来做蛋糕的地方,继续完成蛋糕。

  1. 蛋糕菜谱: 是程序,先做什么,后做什么
  2. 做蛋糕的过程:是进程A
  3. 给儿子热牛奶的过程:是进程B
  4. 这位爸爸:CPU
  5. 儿子突然要喝牛奶:中断

CPU根据现有的情况(策略)在进程A、B之间切换。上面爸爸倒完牛奶后继续做蛋糕。这里的继续其实就是CPU在进程之间切换之前先保存当前进程的状态,当再次切换到这个进程时,会从之前保存的状态处进行运行(由此也能看出进程切换的开销)。

二、进程的创建(Creation)

2.1 进程创建时机

  1. 在系统启动时创建进程(boot)。这个时候创建的都是系统运行必须的进程,有些用于和UI进行交互,有些属于后台进程,比如Email接受进程
  2. 由现有的进程通过调用系统的Create Call进行创建。比如在一个web系统中,可以另外创建一个excel进程完成数据导入到excel的功能
  3. 当用户发起一个请求时进行创建,比如当用户点击鼠标,在command中输入时会创建相应的进程对用户的请求进行响应

2.2 创建过程

以上的所说的三种创建进程的时机最终创建进程的方式是一致的:由一个已有的进程跳过一个系统调用完成进程的创建。

  1. Unix:Fork
  2. Windows:CreateProcess

该系统调用会告知操作系统去创建一个进程。

发起系统调用的进程为父进程,被创建的进程为子进程,父子进程之间是相互独立的,他们的地址空间完全不同。

2.3 进程的层级关系(Hierarchy)

上面做了阐述,新的进程是已有进程通过像OS发送创建进程的call而完成的。被创建的进程暂且叫child process。这个child process接下来可能也会再次给os发请求创建子进程。。。。。以此类推,将会有一个进程继承链。

上面这种成为一个链的进程在unix中会作为一个进程组而存在。但是在Windows中,这些进程其实是完全独立的。继承关系在进程中不是很重要。

三、进程的终止(termination)

一个进程创建后最终都会终止的,进程会在以下几种条件下被终止,相对比较好理解:

  1. 正常终止:当进程完成自己的事情之后告诉操作系统(System Call)终止进程
  2. 出现错误的时候终止。当进程发现错误时,比如资源不存在或者所运行的程序有bug。比如被0除。
  3. 被其他进程Kill。比如在windows下可以通过任务管理器直接Kill系统的进程

在有些操作系统中当一个进程终止时,有其创建的进程也会被Kill 掉。

四、进程的状态(State)

4.1 状态

进程被创建后有三个状态:

  1. Running(运行中)
  2. Blocked(被阻塞)
  3. Ready(就绪)

Blocked是指进程在等待外部的刺激(与CPU无关),比如Console程序,一直在等待用户输入。

Ready是指进程可以运行,没有等待任何资源,但是CPU被其他进程占用,没有CPU资源

4.2 状态切换

如图:

Running-》Blocked:进程在运行过程中需要其他外部资源。

Blocked-》Ready:进程需要的资源得到了满足

Ready-》Running:由CPU的Scheduler决定,CPU可以给当前进程使用

Running-》Ready:由CPU的Scheduler决定,CPU分配给其他进程使用(比如上面的例子,爸爸停下正在做的蛋糕去给儿子热牛奶,这时候蛋糕处于ready状态)

时间: 2024-10-06 04:03:53

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