进程¶

一、概述¶

「进程」是一个正在进行中的程序，也可以说是一个程序的实例，可以被一个或多个线程执行。

1. 内存布局¶

一个进程在内存中的模型基本上如下所示，从上到下为高地址到低地址：

栈区（stack）包含调用栈，用于存放临时数据（函数参数、返回地址、局部变量）。
堆区（heap）包含动态分配的内存。
数据段（data）包含初始化后的静态变量信息
BSS段（bss）包含未初始化的静态变量信息
代码段（text）包含机器指令，即程序二进制代码。

下面是一个 C 语言程序代码和其对应的内存布局的示例：

2. 进程状态¶

一个进程在运行的过程中并不是无间断地一路执行到结束的，当一个进程在等待 IO 结果的时候，操作系统可能会令 CPU 切换到其他进程执行来充分利用 CPU 资源。因此需要一个状态变量来描述当前进程的执行状态。

一个进程有如下五种状态：

new：进程刚被创建
running：进程正在被执行
waiting：进程正在等待某些事件（比如 IO 操作）才能狗继续执行
ready：进程已经准备好执行，正在等待被执行。
terminated：进程执行完毕。

stateDiagram-v2

[*] --> new
new --> ready : admitted
ready --> running : scheduler displatch
waiting --> ready: I/O or event completion
running --> waiting: I/O or event wait
running --> ready: interrupt
running --> terminated: exit
terminated --> [*]

3. 进程控制块（Process Control Block, PCB）¶

PCB 中存储了进程的当前状态，可以说是进程执行状态及所处环境的一个“快照”，同一时刻只有一个 PCB 是激活的（即只有一个进程在运行），由操作系统创建、管理。

它通常包含以下信息：

进程状态
进程结构信息（用于维护子进程这样的关系）
进程间通信信息
进程权限信息
进程编号(PID)
程序计数器(PC)，指向当前进程的下一条要执行的指令
CPU 寄存器
CPU 调度信息
内存管理信息，页表、内存限制等。
I/O 状态信息
......

简单来说，当进程被创建时，其实就是创建了一个 PCB，PCB 包含进程的一切运行状态信息。发生进程切换时就是保存当前进程 PCB 后加载另一个进程的 PCB 的过程（也就是上下文切换）。

4. 进程调度¶

进程可以分为大概两种：

I/O 密集型进程：I/O 花费的时间大于计算花费的时间
CPU 密集型进程：计算花费的时间大于 I/O 花费的时间

对于一个单处理器系统，同时只能有一个进程在运行，这也正是进程调度的意义所在。

进程会在不同的调度队列之间来回迁移：

Job queue：所有进程
Ready queue：已经加载到主存，等待被执行的进程
Device queue：正在等待 I/O 的进程

调度器¶

长期调度器（Long-term scheduler/Job Scheduler）来将进程放入 Ready Queue。

执行频率较低（几分钟一次）
短期调度器（Short-term scheduler/CPU scheduler）来决定接下来要执行的进程并分配 CPU。

执行频率较高（例如每 100ms 一次）

必须很快（不然会消耗大量时间在调度上）
中期调度器（Medium-term Scheduler（交换））来将内存放入交换分区/从交换分区加载

5. 进程间通信（Interprocess Communication, IPC）¶

主要有两种方式：

Method	Overhead	Difficulty to implement	Conveniency to use
Shared memory	few syscall	difficult	convenient (simply r/w f/t RAM)
Message-passing	one syscall per communication operation	easy	sometime cumbersome (many send/recv operation)

共享内存
消息传递

直接通信：进程间直接建立连接（需要 name each other explicityly）

间接：通过一个 mailbox 中转

生产者-消费者问题¶

可以考虑缓冲区为两种情况，空时消费者阻塞，满时消费者阻塞：

unbounded-buffer
bounded-buffer

> 共享内存解决方案¶

可以使用一个循环数组：

> 消息传递¶

更简单了，消息队列本身就是一个生产者-消费者模型。

6. 进程同步¶

阻塞 —— 同步，非阻塞 —— 异步

进程¶