操作系统—进程

Posted 2021-12-18 一朵花花

操作系统概念

操作系统是一组做计算机资源管理的软件的统称
(搞管理的软件：一方面管理计算机的硬件设备，另一方面管理计算机的软件资源)
目前常见的操作系统有：Windows系列、Unix系列、Linux系列、OSX系列、android系列、ios系列、鸿蒙…等

进程(Process)

进程是一种操作系统中非常重要的软件资源
把一个可执行程序跑起来，系统中就会创建一个对应的进程；如果这个程序执行结束了，系统就会随之销毁对应的进程 (进程就可以看成是一个程序执行的"过程")

进程是操作系统对一个正在运行的程序的一种抽象，换言之，可以把进程看做程序的一次运行过程；
同时，在操作系统内部，进程又是操作系统进行资源分配的基本单位

上述这个即是一个：可执行文件 / 程序
就是一个磁盘上的文件，是静态的，如果不去动，就不会发生变化
当双击这个 exe 文件时，操作系统就会加载这个 可执行程序
加载： 把 exe 文件中的很多内容，都加载到内存中了，分配一些资源，并开始执行这个可执行程序中包含的指令 (进程)
.
这块的腾讯会议，就是一个进程；当我们退出程序时，进程也随之关闭

进程管理(重难点)

管理： 先描述，再组织

描述： 以Linux 为例：在内核中，使用一个 task_struct / PCB(进程控制块) 结构体来描述进程 (C语言)
每创建一个进程，就同时创建一个 PCB 这样的类的实例

组织： 使用双向链表，把所有的 PCB 对象串到一起 (将 PCB 对象，放到双向链表中)
双击一个exe，创建一个进程的时候，本质上就是在内核中，先创建了一个 PCB 对象，然后把这个对象加入到链表中
关闭一个程序，结束一个进程的时候，本质上就是在内核中，找到这个对应的 PCB 对象，然后从链表上删掉，并且释放该对象
通过任务管理器查看到的所有的进程信息，本质上就是在遍历内核中的这个链表，依次读取对应 PCB 中的节点信息

PCB

包含信息：

1. PID (进程 id)：进程的身份标识
2. 一组内存指针：指向该进程持有的一些重要数据在内存中的位置
   重要数据：a) 执行的指令； b) 指令依赖的数据
   内存：系统给该进程分配的资源的一部分
3. 状态 (文章后面：进程的状态)
4. 优先级：进程是优先上 CPU 执行还是放到后面上
5. 进程的记账信息：记录了进程在 CPU 上一共执行了多长时间，通过这个时间来限制不要让某个进程来霸占 CPU 太久，导致其他进程无法执行
6. 上下文：保存了上次进程在 CPU 上执行的进度，以便下次进程上 CPU 的时候能够继续执行
   3，4，5，6，都是为了实现"进程调度"

进程的状态

R — 就绪状态： 正在CPU上执行，或者即将执行
S — 睡眠状态： 这些进程没法在 CPU 上执行，而是在等待
D — 深度睡眠状态： 进程在长时间的忙于 IO 操作，没精力理会 CPU
X — 退出状态： 进程已经被销毁

🔺并发式执行：

处理 “狼多肉少” 问题；进程太多，CPU太少

一台计算机，同时运行着多个应用程序，同一时刻一个 CPU 上只能执行一个程序的指令，由于 CPU 计算 / 执行指令速度极快，我们就可以让 CPU 先执行进程1 的指令，执行一小会儿之后，执行进程2的指令，再执行一小会儿之后，执行进程3的指令…过了一段时间(人感知不到这个时间，算的速度太快了)之后，继续执行进程1的指令…
从微观上看，CPU上的这些进程的指令都是串行执行的，但是由于 CPU 切换速度极快，从宏观上看，人感知不到，感觉是多个程序好像是“同时”执行 —— 这就是并发
多线程是解决并发编程的方式之一，还有多进程，多协成，actor模型…

并行： 宏观上是同时执行，微观上也是同时执行 (两个 CPU 就可以同时执行两个进程的指令)

进程调度目的： 为了让这么多进程，能够很好的在有限的 CPU 上并发执行

时间片

操作系统的 “任务调度” 就是采用 时间片轮转 的抢占式调度方式，也就是说一个任务执行一小段时间后强制暂停去执行下一个任务，每个任务轮流执行

任务执行的一小段时间，叫做 “时间片”，任务正在执行时的状态叫做 运行状态，任务执行一小段时间后强制暂停去执行下一个任务，被暂停的任务就处于就绪状态等待下一个属于它的时间片的到来

这样每个任务都能得到执行，由于 CPU 的执行效率非常高，时间片非常短，在各个任务之间快速的切换，给人的感觉就是多个任务在"同时进行"，这也就是我们所说的 “并发”

并发和并行

并发： 多个进程在一个 CPU 下采用时间片轮转的方式，在一段时间内，让多个进程都得以推进
并行： 多个进程在多个 CPU 下分别，同时进行运行

内核态和用户态

一般的操作系统对执行权限进行分级：用户态和内核态 (为了安全性)
内核态的权限比用户态高很多的，用户态的权限比较小，只能进行一些风险比较低的操作

上古时代的操作系统，是没有用户态和内核态之分的，可能一不小心一个误操作就对计算机造成很大的伤害

举例： 去银行存款，得在窗口和柜员交互
存款的过程：
1.先和柜员沟通，要存多少，存到那个账户上
2.把钱和卡给柜员
3.柜员拿到钱和卡后，在电脑上一顿操作(用户看不到)
4.柜员：“先生 / 美女，您的业务办理完了~”
1，2，4 是用户能感知到的动作，相当于代码在用户态执行
3 是用户感知不到的，相当于代码在内核态执行

调度器

操作系统中实现进程调度的模块：调度器
操作系统的调度器会非常频繁的进行进程切换
实现具体调度的时候，有很多策略：这些策略都要依赖 PCB 中对应的属性