進程概念

從空間的維度上來看，進程是一個由多種信息構成的綜合體，它包括代碼段、數據段、堆、堆棧等，圖示如下：

綜合進程關聯的各種信息而構成了的一個數據結構，我們稱為進程控制塊(Process Control Block，PCB )，也稱為任務控制塊(task control block)，這些相關的信息包括：

• 進程狀態
• 程序計數器
• CPU調度信息
• 內存管理信息
• 記賬信息
• I/O狀態信息

從時間的維度上來看，進程是一個活動實體，表現在兩個方面：

其一，它牽連到CPU和內存，觸發CPU各種邏輯算術運算和內存中的數據活動，比如，磁盤上有一個可執行二進制文件，雙擊它時，就會衍生出來一個進程，雙擊它這一動作會觸發一系列連鎖反應，這包括程序加載到內存，通過PC逐個地引用程序指令到CPU內執行，數據在內存和寄存器之間傳輸等等。

其二，它的狀態是隨時間而變化的，且必須遵從一個原則：一次只有一個進程可在一個處理器上運行，但是許多進程可處于就緒或等待狀態。如下是一個進程狀態圖模型：

新的：進程正在創建。

就緒：進程等待分配處理器。

等待：進程等待發生某個事件(如I/O完成或收到信號)。

運行：指令正在執行。

終止：進程已經完成執行。

進程調度

多道程序是從宏觀上來看進程狀態，有2個或以上進程處于非終止運行狀態，微觀處卻只有一個進程在單處理器系統上正在運行，這就好比我們只有一雙眼睛，某一時刻只能專注于某一事物，然而，只要不閉眼，就一直在觀察事物，比如，我們在手機上看一部電視劇，看完一集的一小段，插播廣告來了，這時，我們就能去讀雜志上的一篇短文，等廣告播完了，又返回去看劇，如此往復，我們就利用拆播廣告的這段時間讀完了雜志上的一篇短文，或者，在看劇期間，我們想玩游戲了，于是，我們暫停電視劇的播放，開始玩游戲，等打完一局游戲又回去播劇看，如此往復，從總體上來看，看劇、讀雜志、玩游戲等活動像是并行的，這種“并行”的實現必須是依賴于一定的策略，包括：其一，利用電視劇間斷播放的特性；其二、設置優先級更高的活動(如玩游戲)優先執行，其三，可以控制電視劇暫停，可以對游戲進度存檔等，總體上來看，看劇、讀雜志和玩游戲這些活動都在運行而沒有結束。那么，對于操作系統而言，它把所有就緒的活動用一個隊列組織管理起來，形成就緒隊列，如下：

其中隊列頭head指向鏈表的第一個PCB塊，tail指向鏈表的最后一個PCB塊。

更進一步，建立起基于隊列圖的進程調度，其模型如下：

進程調度總是從就緒隊列里選擇一個在CPU中執行，進程在CPU中執行的活動可能是：

• 新建了一個子進程，因為需要等待子進程執行，所以又回到就緒隊列了；
• 發出I/O請求，并被放到I/O隊列；
• 被中斷而需要釋放CPU;
• 超時;
  等等～
  CPU執行活動，又反過來影響就緒隊列的結構，從而形成一種閉環機制。關于調度程序及其導致的上下文切換，限于篇幅，后續再介紹。

進程運行

進程創建形成進程樹，對于linux操作系統而言，系統初始化進程(其進程名稱可能為init，也可能為systemd，但是其ID必定是為1)是該樹形結構的根，其它所有進程都能追溯到它為止，如下，是ubuntu linux系統的一個進程樹片段：

從圖可以看出，該系統提供命令“pstree”打印系統當前的進程樹，每個新進程可以創建其他進程，并使用唯一的進程標識符(PID)來標記，同時以此來引用該進程。

關于進程創建的實現，在《Unix環境高級編程》一書中有非常詳細的介紹，這里只給出fork()系統調用實現的一個實例。

請看，該實例的編程模型如下：

????????? 對此，我們從兩個維度上來分析:

第一個維度是空間的維度，考慮子進程關聯的信息內容是什么及如何存放的問題，

• 第一種實現是把父進程的內存全部復制，另外開辟一塊內存區域存放。
• 第二種實現是創建父進程的堆棧、堆、數據段的完全副本，而和父進程共享正文段(因為子進程可能就是用父進程的代碼執行別的用例)，再向系統申請獨立的存儲空間來存放他們。
• 第三種實現是子進程和父進程共享全部的內容，并把這些內容標記為“只讀”，當父進程和子進程任何一個需要修改某個區域，則為修改內容向系統申請獨立的一塊內存給子進程所用，這就是“寫時復制”技術。

note：上面提及的內存都是指“物理內存”，對于linux操作系統而言，所有進程都有統一的虛擬地址空間，是不做任何區分的。

顯而易見，以上三種實現對于內存空間的使用效率最高的是第三種，“寫時復制”技術是一種高效地利用資源的方式。

第二個維度是時間的維度，考慮子進程與父進程競爭處理器的使用權問題，即它們的執行時序問題。父進程創建了子進程，直觀的想象應當是父進程先執行，盡管父進程先于子進程誕生，但是，對于選用了“寫時復制”的技術而創建進程的方式，是子進程先執行，這主要是考慮到，通常，在子進程中，會通過exec系統調用加載新的代碼段，讓子進程先執行能避免“寫時復制”拷貝共享頁面的機會，當然，父子進程誰先執行取決于系統的調度策略。???

進程終止

脫離計算機系統范疇，我們可以把一個進程認為就是一個任務，在日常事務中，終止一個任務的原因有很多，比如：

• 任務完成了，不再需要了;
• 由于資源欠缺，任務無法繼續;
• 上級任務被撤銷，當前任務不再具有存在的意義;

等等～。

總之，對于計算機系統，進程是具有生命周期的，可能被終止后就不復存在了，也可能又會被復生，這里，我們考慮操作系統是如何管理進程終止問題。

操作系統提供系統調用exit()來終止進程，常規編程中，在main()函數的結束使用返回語句實際上也是調用了exit()，這里不再詳述，基于上面給出的編程模型，我們進行編碼實驗，如下：

實驗一：不使用exec系統調用，觀察父子進程對相同變量的取值

#include #include #include #include int globvar = 6; /* external variable in initialized data */char buf[] = "a write to stdout\n";intmain(void){ int var; /* automatic variable on the stack */ pid_t pid; var = 88; if (write(STDOUT_FILENO, buf, sizeof(buf)-1) != sizeof(buf)-1) printf("write error"); printf("before fork\n"); /* we don't flush stdout */ if ((pid = fork()) < 0) { printf("fork error"); } else if (pid == 0) { /* child */ globvar++; /* modify variables */ var++; } else { sleep(2); /* parent */ } printf("pid = %ld, glob = %d, var = %d\n", (long)getpid(), globvar, var); exit(0);}

構建并執行程序

glob代表數據段，var代表堆棧段，在父子進程中，它們的值不相同，這說明，父子進程實際訪問的物理內存單元不一樣，盡管他們通過同一個變量引用(也就是說使用了相同的虛擬地址)，當然，父子進程至少共用了同一段代碼即第30行代碼。

實驗二：使用exec系統調用，觀察進程從創建到終止的過程#include #include #include int main(){pid_t pid; /* fork a child process */ pid = fork(); if (pid < 0) { /* error occurred */ fprintf(stderr, "Fork Failed\n"); return 1; } else if (pid == 0) { /* child process */ printf("I am the child %d\n",pid); execlp("/bin/ls","ls",NULL); } else { /* parent process */ /* parent will wait for the child to complete */ printf("I am the parent %d\n",pid);????wait(NULL); printf("Child Complete\n");??} return 0;}

構建并執行程序

對照上面所述的編程模型，代碼行22先執行，然后執行代碼行17，fork()系統調用返回值為0標記在子進程空間，大于0標記在父進程空間，fork()之初，在子進程空間的代碼是完全和父進程相同，之后，在父進程空間中，使用wait()系統調用控制自己的狀態進入等待子進程終止信號，父進程讓出處理器，在子進程空間中，使用execlp()加載并執行程序ls，子進程一旦終止，就會觸發父進程回到運行狀態，從而執行代碼行24。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的进程调度实验_进程运行及其调度的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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