二、进程管理
??進(jìn)程是操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并發(fā)的基礎(chǔ)，了解進(jìn)程才能明白操作系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)過程。這篇文章對于進(jìn)程進(jìn)行一個討論，希望在讀完之后能對進(jìn)程有一個清晰的認(rèn)識。
??進(jìn)程概念
??對進(jìn)程概念的介紹，圍繞著這幾個問題：
????1. 為什么要進(jìn)程？
????2. 什么是進(jìn)程？
????3. 進(jìn)程由什么組成？
??1. 為什么要進(jìn)程？
??多道程序環(huán)境下，程序并發(fā)執(zhí)行。為了讓各個程序相對獨(dú)立，運(yùn)行無誤，引入進(jìn)程這個概念來對并發(fā)執(zhí)行的程序加以描述和控制（這個比較晦澀，從進(jìn)程本身角度說，程序A運(yùn)行的時候希望有一個獨(dú)立的空間不受他人干擾，進(jìn)程就提供了這個空間。從使用者的角度說，對操作系統(tǒng)引入進(jìn)程這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，能夠更清晰的表達(dá)動態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行的內(nèi)在規(guī)律）
??2. 什么是進(jìn)程？
??這個問題說法不一，但我覺得進(jìn)程就是運(yùn)行中的程序。這句話也側(cè)面解釋了進(jìn)程和程序之間的區(qū)別。程序是靜態(tài)的，而進(jìn)程是動態(tài)的。除此之外，進(jìn)程內(nèi)部的內(nèi)容也更多，將在下個問題中介紹。
??3. 進(jìn)程由什么組成？
??我們常常說的進(jìn)程其實(shí)是進(jìn)程實(shí)體（進(jìn)程映像） 的簡稱，主要有程序段、相關(guān)的數(shù)據(jù)段、和PCB(下面再詳細(xì)介紹)三部分組成。這里的相關(guān)數(shù)據(jù)段包括堆、棧、數(shù)據(jù)段三類，程序段就是代碼段。
下面詳細(xì)介紹一下PCB（這可是進(jìn)程里面很重要的！）
在介紹PCB之前說一下，為啥要PCB？都知道程序分時運(yùn)行，到了時間就要換程序執(zhí)行。那不同程序之間的狀態(tài)肯定是不同的（程序A有程序A的數(shù)據(jù)，程序B有程序B的數(shù)據(jù)）。之前說過在兩次時間切換之間，操作系統(tǒng)會實(shí)現(xiàn)保護(hù)現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場。那他們的依據(jù)從哪來呢？就是PCB！所以PCB就是保存進(jìn)程中各類數(shù)據(jù)信息及當(dāng)前情況的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
??進(jìn)程控制塊PCB（process control block）
??PCB中主要包含如下四部分
??1） 進(jìn)程標(biāo)識符
??進(jìn)程標(biāo)識符的作用就是唯一的標(biāo)識一個進(jìn)程，以便于對這個進(jìn)程進(jìn)行調(diào)用。有兩種類型，針對于用戶和系統(tǒng)使用，分別是外部標(biāo)識符(用戶)，內(nèi)部標(biāo)識符。編程序時fork函數(shù)返回的應(yīng)該是外部標(biāo)識符。
??2） 處理機(jī)狀態(tài)
??處理機(jī)狀態(tài)又稱處理機(jī)的上下文(還有一個概念是上下文切換，就是針對于這部分內(nèi)容的切換)，主要包括各種寄存器中的內(nèi)容：通用寄存器、當(dāng)前指令地址(PC)、程序狀態(tài)字(PSW)、用戶棧指針。這部分內(nèi)容也是PCB存儲中最顯著的。
??3） 進(jìn)程調(diào)度信息
??進(jìn)程調(diào)度信息表明該進(jìn)程當(dāng)前的狀態(tài)(關(guān)于進(jìn)程狀態(tài)的分類稍后介紹)，進(jìn)程的優(yōu)先級、用于完成調(diào)度的其他信息(還有什么？)、如果發(fā)生阻塞，存儲阻塞原因。學(xué)名叫事件。
??4） 進(jìn)程控制信息
??指用于進(jìn)程所必需的信息，包括本進(jìn)程程序段和數(shù)據(jù)段的地址(不一定是首地址，可能是當(dāng)前執(zhí)行的)、進(jìn)程同步和通信機(jī)制所需要的一些東西(都有哪些？)，資源清單，包括總預(yù)計(jì)和當(dāng)前已分配、鏈接指針，本進(jìn)程PCB所在隊(duì)列的下一個進(jìn)程PCB的首地址(怎么理解？PCB之間的存儲以鏈表形式嗎？)
??如果一個進(jìn)程一個PCB的話，PCB的數(shù)量也不會少。所以需要方式進(jìn)行管理，目前常用的組織方式包括線性方式、鏈接方式、索引方式。在此不再細(xì)說，有需要可以自己去查。
??以上介紹的PCB內(nèi)容都比較基礎(chǔ)，但其實(shí)PCB是一個很大的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。涉及很多方面。更為詳細(xì)的說明如下圖(我還沒學(xué)到，就先不一一介紹了)：
??下面來補(bǔ)上面的坑，談?wù)勈裁词沁M(jìn)程狀態(tài)。
??進(jìn)程最基本的狀態(tài)有三種：就緒、阻塞、執(zhí)行
??就緒指進(jìn)程已經(jīng)準(zhǔn)備好了，只要獲得CPU的資源就可以運(yùn)行程序。因?yàn)樘幱诰途w狀態(tài)的進(jìn)程可能很多，所以以隊(duì)列存儲，并配合專門的調(diào)度算法。
??執(zhí)行就是進(jìn)程正在進(jìn)行，沒啥好說的。對于單核CPU，同一時間只有一個進(jìn)程處于執(zhí)行狀態(tài)。
??阻塞指執(zhí)行狀態(tài)的進(jìn)程因某些操作(通常是I/O)而終止運(yùn)行，進(jìn)行等待。阻塞完成后會重新進(jìn)入就緒狀態(tài)。
??執(zhí)行狀態(tài)會有兩種變化方向：一種向就緒狀態(tài)(時間片到達(dá))，一種向阻塞狀態(tài)(發(fā)生I/O操作)。三者轉(zhuǎn)化關(guān)系如下圖(圖中引入新的，終止?fàn)顟B(tài)是為了使結(jié)構(gòu)完整)：
??我們常常聽到一個名詞叫”掛起”，比如后臺進(jìn)程的掛起。掛起也是一種改變進(jìn)程狀態(tài)的操作。那為啥要掛起呢？原因有很多，比如這個進(jìn)程不用，通過掛起可以將這部分資源拿出來給其他的用。或者是通過掛起完成對進(jìn)程的控制(不讓運(yùn)行了)。當(dāng)引入掛起操作后，就區(qū)分出活動和靜止兩個分類(活動就緒，活動阻塞，靜止就緒，靜止阻塞)。普通處于就緒狀態(tài)就叫活動就緒，掛起后就變成了靜止就緒，普通處于阻塞狀態(tài)就叫活動阻塞，掛起后就變成了靜止阻塞。與掛起相對的是激活操作，實(shí)現(xiàn)反向功能。當(dāng)引入創(chuàng)建狀態(tài)的時候，從創(chuàng)建狀態(tài)可以直接變成就緒狀態(tài)。如果進(jìn)程在內(nèi)存中變成活動就緒，在磁盤中變成靜止就緒(遠(yuǎn)的就是不用，就靜止)。把所有的狀態(tài)都放在一張圖里就是下面這個樣子：
??進(jìn)程通信
??帶著問題說：
????1. 為什么需要進(jìn)程通信？
????2. 有哪幾種方式實(shí)現(xiàn)進(jìn)程通信？
??1. 為什么需要進(jìn)程通信
??關(guān)于這個問題，老師給了三種原因：
??1） 當(dāng)無法改寫應(yīng)用程序時，用進(jìn)程通信去操作已有的應(yīng)用程序(怎么理解？)
??2） 完成同一個任務(wù)的多個進(jìn)程需要通信。
??3） 模塊化、方便（怎么理解？）
??實(shí)現(xiàn)進(jìn)程通信的最大目的就是數(shù)據(jù)共享，操作系統(tǒng)分時特點(diǎn)，同一程序多個進(jìn)程間相互協(xié)作說白了也是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。不過這里面的進(jìn)程通信指的是進(jìn)程間，而不是進(jìn)程內(nèi)部。
??2. 有哪幾種方式實(shí)現(xiàn)進(jìn)程通信呢？
說到通信，最容易想的方式肯定是通過文件。一個寫一個讀，只要處理好順序問題就不會有錯。但文件讀寫也屬于I/O操作，實(shí)在太慢。所以操作系統(tǒng)額外提供了三種進(jìn)程通信的機(jī)制：消息隊(duì)列、共享內(nèi)存、管道
??1） 消息隊(duì)列
??實(shí)際上用鏈表維護(hù)了一個消息隊(duì)列，進(jìn)程具有讀或?qū)懙臋?quán)力。發(fā)方寫，再讓收方 讀。很類似于文件，但可能存放的位置不同，使用起來更快。但這里存在一個矛盾，
??隊(duì)列中每個數(shù)據(jù)多大呢？選擇定長的話易設(shè)計(jì)，但不易使用。不定長相反。所以基本只用于早期系統(tǒng)。有關(guān)于消息傳遞的編程可以參考下面這個博客：進(jìn)程通信之消息隊(duì)列_我愛加菲貓-CSDN博客_進(jìn)程通信消息隊(duì)列;
??2） 共享內(nèi)存
??共享內(nèi)存就更是簡單粗暴了，既然希望共享數(shù)據(jù)，直接在內(nèi)核中開辟一段空間作為共享數(shù)據(jù)區(qū)域，所有進(jìn)程都可以讀寫。因?yàn)槭窃趦?nèi)核區(qū)域，所以存取的速度比較快。也是實(shí)現(xiàn)通信的最快方式。不過哪有這么好的事兒？訪問同一區(qū)域就會遇到數(shù)相關(guān)問題(先讀后寫)，所以共享內(nèi)存的使用建立在進(jìn)程同步的基礎(chǔ)之上。
??3） 管道
??消息隊(duì)列太慢，共享內(nèi)存沒有規(guī)定容易亂。管道就起一個權(quán)衡作用，集百家之所長。在內(nèi)核中開辟一段空間，以隊(duì)列方式管理，管道一端只能輸入、一段只能輸出。但管道空間有限，所以要做一些判斷：滿了不能寫，空了不能讀。管道還涉及到一些重定向的問題，我現(xiàn)在也不會，就不說了(美其名曰：揚(yáng)長避短)。在目前的系統(tǒng)中，管道是用的最多的一種。
??線程
??線程這個概念，應(yīng)該聽過很多次了吧。在強(qiáng)調(diào)并行計(jì)算的時候，都會說到多線程。那線程和進(jìn)程間有什么聯(lián)系呢？簡單的總結(jié)：線程是進(jìn)程的一個變種。下面來聊聊吧！
??1. 為什么需要線程？
??咱們首先來比較一下，一個程序的多個進(jìn)程間有什么異同？
??相同之處：代碼、數(shù)據(jù)一樣，權(quán)限一樣、文件資源一樣
??不同之處：每個進(jìn)程有各自的執(zhí)行狀態(tài)，PC等寄存器。
??可以把相同不同分為兩個類：資源、執(zhí)行狀態(tài)。資源都相同，還為啥要每個都存一份。只要保存每個進(jìn)程各自的執(zhí)行狀態(tài)就行了呀！對嘍，這就是線程的思想。把執(zhí)行狀態(tài)取出來，就叫做線程(感覺有點(diǎn)兒像那個提取公因式，hhh)。
??下面來多說一點(diǎn)兒和線程相關(guān)的：
??之前認(rèn)為進(jìn)程是操作系統(tǒng)中最小的，但其實(shí)不是滴。線程才是處理器調(diào)度的基本單位。一個進(jìn)程可以創(chuàng)建多個線程，多個線程共享地址空間、資源，線程也有三個狀態(tài)(就緒、執(zhí)行、阻塞)，操作系統(tǒng)怎么感知線程呢？和進(jìn)程一樣，進(jìn)程有PCB，線程有TCB(線程控制塊, Thread Control Block)。每一個線程都要有一個獨(dú)立的棧(共用一個會滿滴，所以不行)
??來比較下線程和進(jìn)程，它們各自都有什么優(yōu)勢呢？
??線程更快、更小。但獨(dú)立性不好(需要共用資源)。進(jìn)程就反過來了。所以不同不同需求選擇就不同，而不是說線程一定比進(jìn)程要好。舉個例子網(wǎng)頁瀏覽器多個網(wǎng)頁用的是進(jìn)程，而不是線程。為什么呢？這就是線程一個最大的(I think)缺點(diǎn)：一個進(jìn)程中有多個線程，但若一個線程出錯，整個進(jìn)程被強(qiáng)迫終止。以線程管理網(wǎng)頁就會一個崩，個個崩。所以多線程編程還是多進(jìn)程編程也是看需要。
??以上常說的線程都叫做內(nèi)核級線程，是由操作系統(tǒng)內(nèi)核建立的。但有一個概念要清楚，涉及到操作系統(tǒng)內(nèi)核的操作必將需要狀態(tài)的轉(zhuǎn)換(用戶態(tài)到內(nèi)核態(tài))，這個是要花時間的。所以能在用戶態(tài)做的事情是最好的了。所以又設(shè)計(jì)了用戶級線程，管理模塊叫做utcb，分配在數(shù)據(jù)段，同時也要有獨(dú)立的棧。因?yàn)闆]有操作系統(tǒng)參與，但線程仍需要調(diào)度。所以需要自己在代碼段完成調(diào)度算法。優(yōu)點(diǎn)就是性能高，靈活（允許進(jìn)程制定屬于自己的調(diào)度算法，進(jìn)程管理靈活）。拿用戶線程和內(nèi)核線程做一個比較，如下圖：
??系統(tǒng)調(diào)用阻塞問題指用戶級線程如果調(diào)用了系統(tǒng)調(diào)用，就會引發(fā)系統(tǒng)調(diào)用阻塞。（可能是沒權(quán)利吧）。更詳細(xì)的比較可以參考：用戶級線程和內(nèi)核級線程的區(qū)別 - 知乎 (zhihu.com)
??用戶級線程的實(shí)現(xiàn)方式有多種（依舊依附于內(nèi)核級線程）。分為多對一（多用戶對應(yīng)一內(nèi)核），一對一（一用戶對應(yīng)一內(nèi)核）、多對多（多用戶對應(yīng)多內(nèi)核）。這里了解的不是很多，就不說了。
??進(jìn)程同步
??首先思考一個問題：為什么需要進(jìn)程同步？試想這樣一個場景，對于一個全局變量，很多個進(jìn)程都可以訪問并且對該變量進(jìn)行操作。結(jié)合計(jì)算機(jī)分時系統(tǒng)的特點(diǎn)，那會不會出現(xiàn)不同情況下執(zhí)行結(jié)果不一致的情況。答案是會！（原因在此不做解釋，自己去查查或許印象更深）我們稱這種全局變量為臨界資源，針對于代碼中對于臨界資源的操作過程稱為臨界區(qū)，針對于臨界資源產(chǎn)生的問題叫做臨界區(qū)問題。
??所以我們需要進(jìn)程同步機(jī)制來控制各個進(jìn)程對于臨界區(qū)的使用。書上對此的描述原文是：進(jìn)程同步機(jī)制的主要任務(wù)，是對多個相關(guān)進(jìn)程在執(zhí)行次序上進(jìn)行協(xié)調(diào)，使并發(fā)執(zhí)行的諸進(jìn)程之間按照一定規(guī)則(或時序)共享系統(tǒng)資源，并能很好地相互合作，從而使程序的執(zhí)行具有可再現(xiàn)性。
??進(jìn)程同步對于臨界區(qū)問題的解決有四個原則：空閑讓進(jìn)、忙則等待、有限等待、讓權(quán)等待。我用自己的理解簡單解釋下：
??空閑讓進(jìn)：如果臨界區(qū)空閑，任何一個需要臨界區(qū)的進(jìn)程都可以使用
??忙則等待：自己想要使用臨界區(qū)，但此時此刻被占用，要排隊(duì)等待，空了再用
??有限等待：等待也是有限度的，要保證進(jìn)程能夠使用到臨界區(qū)
??讓權(quán)等待：如果已經(jīng)知道沒希望了，趕緊換個進(jìn)程，別占用等待區(qū)的位置
??進(jìn)程同步只是個機(jī)制，那具體可以通過什么方法呢？老師和書一共給了三種方法：Peterson方法、硬件同步機(jī)制、信號量機(jī)制。下面一一展示下（在此不做詳細(xì)的說明，每一種方法展開說都太多，有需要的再去找對應(yīng)的內(nèi)容即可）：
??Peterson方法：
??Peterson方法通過增加turn變量結(jié)合flag實(shí)現(xiàn)了進(jìn)程同步機(jī)制(對于臨界區(qū)的唯一使用，如果沖突會卡在while處)。它的優(yōu)缺點(diǎn)如下圖：
??硬件同步機(jī)制
??之所以會發(fā)生臨界區(qū)問題，就是因?yàn)榉謺r復(fù)用嘛。分時復(fù)用是操作系統(tǒng)按照時鐘中斷進(jìn)程調(diào)度。如果硬件上在每次進(jìn)入臨界區(qū)代碼前，直接關(guān)閉中斷。就不會有時鐘，也沒了分時，也不會有任何沖突問題。這就是硬件同步機(jī)制的主要思想。如果用鎖來描述的話，關(guān)中斷就是關(guān)鎖，開中斷就是開鎖，判斷鎖的狀態(tài)叫測試。為了防止多個進(jìn)程同時測試到鎖打開的情況，測試和關(guān)鎖必須是連續(xù)的。
??硬件同步的具體落實(shí)是通過硬件指令實(shí)現(xiàn)的，具體的有兩種：test-and-set、swap。（具體的不說了）
??信號量機(jī)制
??信號量其實(shí)也經(jīng)歷了一段發(fā)展的過程，基本順序可以分成：整型信號量、記錄型信號量、AND型信號量、信號量集，依次介紹下
??整型信號量：
??所謂整形信號量就是定義一個整型量表示資源的使用情況，只有兩個操作wait()和signal()能夠訪問。也對應(yīng)的稱wait()為P操作，signal()為V操作。
??兩個操作的實(shí)現(xiàn)如下（簡單描述）：
??這個例子中S就是信號量，初始化為某一正整數(shù)n，代表資源的數(shù)目。當(dāng)資源的數(shù)目大于0時（有可用的資源）執(zhí)行資源自減，然后去做某一處理。當(dāng)資源為0時會一直卡在while處等待，直至某一進(jìn)程結(jié)束運(yùn)行后歸還資源再進(jìn)行分配。通過這種方式，我們就好像建立了一堵墻，拿到鑰匙(資源)才能夠訪問臨界區(qū)。
??想想這種方法有什么缺點(diǎn)呢？如果按照這個思路的話，拿不到資源的進(jìn)程會一直卡在while處，什么也不做，那這個時間片的各種資源就相當(dāng)于浪費(fèi)了。把這種現(xiàn)象稱為“忙等”。為了消除忙等，引入了記錄型信號量。
??記錄型信號量
??這種方法是解決了忙等問題。運(yùn)用的思想是通過改變進(jìn)程的狀態(tài)。之前說過阻塞狀態(tài)的進(jìn)程是不占據(jù)資源的。所有如果進(jìn)程執(zhí)行到指定位置但沒有資源可用，就改變進(jìn)程狀態(tài)為阻塞狀態(tài)。同時用鏈表這種結(jié)構(gòu)對所有阻塞進(jìn)程進(jìn)行保存。對于二者的代碼描述如下：
??之前說資源可以有很多個，當(dāng)只有一個的時候。這時候的信號量叫做互斥信號量。
??使用記錄型信號量幫助我們解決了忙等問題，但再想一下，當(dāng)面臨多個信號量時wait()的順序是否會影響呢？答案是肯定的！看下面這個：
??如果這個交錯執(zhí)行的話，就發(fā)現(xiàn)死鎖了。引起問題的原因就是順序不對，那要是能一起執(zhí)行就好了，這就是AND型信號量！
??對于信號量集就是為了模型更一般化，在這里不進(jìn)行詳細(xì)討論了。平時用的感覺也少。
??對于信號量（PV操作）更重要的在應(yīng)用上，這篇文章主要是一些概念。后面會有一篇專門研究PV操作的幾個典型例題，去了解如何使用PV操作。
??進(jìn)程這部分到這里也就寫完了，但感覺還遠(yuǎn)沒有領(lǐng)悟到精髓，后面再繼續(xù)學(xué)習(xí)吧！
因作者水平有限，如果有錯誤之處，請?jiān)谙路皆u論區(qū)指正，謝謝！
總結(jié)
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