进程

进程的概念

进程与程序

• 一个操作系统可以运行许多个程序，一个运行中的程序被称为进程(Process)
• 进程与程序的关系：
  • 程序是被动和静态的，进程是主动和动态的
  • 一个程序对应的可能有多个进程
  • 程序可以通过GUI或命令行启动

进程的组成

• 程序代码
  • 内容：可执行的程序指令
  • 特点：只读，多个相同进程可以共享同一份代码
• 运行时CPU状态
  • 程序技术去(PC): 指向下一条要执行的指令地址
  • 寄存器组：
    • 通用寄存器：存储计算数据
    • 状态寄存器：保存处理器状态标志
    • 专用寄存器：如栈指针、基址寄存器等
• 内存区域
  • 栈(Stack)
  • 数据段(Data Section)
  • 堆(Heap)

进程的状态(State)

• 一个进程包含以下状态
  • new
  • running
  • wating/blocking
  • ready
  • terminated
• 状态转换示意图

进程控制块(Process Control Block, PCB)

基本概念

• PCB是操作系统管理进程的核心数据结构，每个进程都有唯一的PCB

PCB的四大类信息、

• 进程标识信息
  • PID：进程唯一标识符
  • PPID：父进程ID
  • UID/GID：用户和组标识符
• 处理机状态信息
  • 程序计数器(PC)：下一条指令地址
  • 寄存器组：CPU寄存器的值
  • 栈指针：当前栈位置
• 进程调度信息：
  • 优先级：调度优先级
  • 进程状态：运行/就绪/阻塞等
  • CPU时间：已使用和分配的时间
• 进程控制信息
  • 内存管理：页表、内存映射
  • 文件管理：打开的文件列表
  • 信号处理：信号处理机制

PCB的关键作用

• 上下文切换
  • 保存当前进程状态到PCB，然后从PCB恢复目标进程状态
• 进程管理
  • 创建：分配新PCB
  • 调度：基于PCB信息选择进程
  • 终止：释放PCB和相关资源
• 资源跟踪
  • 内存分配情况
  • 打开的文件
  • 拥有的设备

PCB在linux中的实现: task_struct

• Linux使用task_struct结构体实现PCB，包含：
  • 进程状态和标识
  • 内存管理信息(mm_struct)
  • 文件系统信息(files_struct)
  • 父子进程关系
• PCB在系统中的组织
  • 进程链表：所有进程形成链表
  • 哈希表：通过PID快速查找
  • 运行队列：就绪进程的调度队列

线程(Thread)

进程调度

调度

• CPU调度器会选择接下来要运行的进程并分配内存。这个操作一般是非常快的

调度队列

定义

• 操作系统内核用来组织和管理不同状态进程的数据结构，是实现搞笑进程调度的基础。

三种主要调度队列

• 作业队列(Job Queue)
  • 范围：系统中的所有进程
  • 用途：全局管理和统计
  • 对应命令：ps aux
• 就绪队列(Ready Queue)
  • 范围：准备执行的进程
  • 特点：按优先级组织，支持快速选择
  • 实现：多级队列 + 位图索引
• 设备队列(Device Queue)
  • 范围：等待I/O的进程
  • 分类：磁盘、网络、键盘等不同设备
  • 状态：TASK_INTERRUPTIBLE/UNINTERRUPTIBLE

上下文切换(Context Switch)

定义

• 内核切换到另一个进程去执行，保存就进程的状态并加载新进程的已保存状态

开销

• 上下文切换是开销，CPU在切换时不做任何有用的工作。操作系统和PCB越复杂，上下文切换时间越长，时间取决于硬件支持。某些硬件为每个CPU提供多组寄存器，可以同时加载多个上下文

进程创建

概念

• 父进程可以创建子进程，子进程可以进一步创建子进程，形成进程树。进程通过进程标识符(PID)来识别和管理

Design choices

• 三种可能的资源共享级别：全部、子集、无
• 父进程和子进程的地址空间管理
  • 子进程复制父进程地址空间(Linux)
  • 子进程加载新程序(Windows)
• 父进程和子进程的执行
  • 父进程和子进程并发执行
  • 父进程等待子进程终止

用于进程创建的系统调用

• fork: 创建一个新的进程副本，结束时会返回
• exec: 使用一个新的进程的地址覆盖当前进程地址，加载了新程序，不会返回原程序
• wait: 阻塞直到子进程结束

进程终止

工作流程

• 正常终止：进程执行最后一条语句并请求内核删除它(exit)
  • 操作系统将子进程的返回值传递给父进程(wait)
  • 进程的资源被操作系统释放
• 异常终止：父进程可能终止子进程的执行(abort)
  • 子进程超出了分配到的资源
  • 分配给子进程的任务不在被需要
  • 如果父进程退出，一些操作系统不允许子进程继续
    • 所有子进程（整个子树）将被终止-这被称为级联终止(cascading termination)

注：exit与_exit

• exit为标准库函数，执行终止进程和清理
• _exit为系统调用，直接请求内核终止进程，不做清理

可能存在的错误————僵尸进程与孤儿进程

僵尸进程

• 僵尸进程时已经执行完毕但父进程还没有回收其退出状态的子进程
• 特征
  • 进程已死亡：不再执行任何代码
  • PCB仍存在：内核保留进程控制块
  • 保存退出状态：等待父进程读取
  • 不占用内存：代码段、数据段、栈都释放
  • 占用PID槽位：PID不能被其他进程使用
  • ps显示为<defunct>：状态标记为Z

孤儿进程

• 孤儿进程是父进程已经退出，但子进程仍然在运行的进程
• 特征
  • 仍在运行：进程仍然正常执行
  • 父进程变更：PPID变为1（init进程）
  • 正常运行：功能不受影响
  • 自动回收：退出时由init进程回收
  • 通常无害：不会造成资源泄漏

关键区别

• 僵尸进程是管理问题，有害，大量积累会耗尽系统资源，需要程序员解决
• 孤儿进程是自然现象，无害，系统自动解决

Android进程

Android进程重要性层次结构

• 移动操作系统经常需要终止进程来回收系统资源（如内存）。按重要性从高到低排列
  • 前台进程：在屏幕上可见
    • 用户正在使用微信
  • 可见进程：不直接可见，但执行前台进程正在引用的活动
    • 视频应用播放时弹出权限对话框
  • 服务进程：如流媒体音乐
    • 音乐应用后台播放
  • 后台进程：执行活动，但用户不明显感知
    • 用户切换应用后原应用进入后台
  • 空进程：不包含任何活动
• Android将开始终止最不重要的进程

浏览器的多进程架构

• 在过去许多网页浏览器作为单一进程运行（有些仍然如此）。这会导致如果一个网站出现问题，整个浏览器都可能挂起或崩溃
• Google Chrome浏览器采用多进程架构，包含3中不同类型的进程：
  • 浏览器进程：管理用户界面、磁盘和网络I/O
  • 渲染进程：渲染网页，处理HTML、Javascript。为每个打开的网页创建新的渲染进程
  • 运行在沙箱中，限制磁盘和网络I/O,最小化安全漏洞的影响
  • 插件进程：为每种类型的插件创建进程

进程间通信

概念

• 系统中的进程可能是独立的或协作的
  • 独立进程：无法影响或被其他进程的执行所影响的进程
  • 协作进程：可以影响或被其他进程影响的进程，包括共享数据
• 协作进程的原因：信息共享、计算加速、模块化、便利性、安全性
• 写作进程需要进程间通信(IPC)

IPC模型

• 存在两种IPC模型：
  • 共享内存
  • 消息传递
• 示意图：

  

生产者-消费者问题

• 协作进程的范例，生产者进程产生信息，被消费者进程消费
• 无界缓冲区：对缓冲区大小没有实际限制
• 有界缓冲区：假设有固定的缓冲区大小

消息传递

• 进程通过交换消息互相通信
• 无需依赖共享变量
• 消息传递提供两个操作
  • send：发送消息
  • receive：接受消息
• 如果P和Q希望通信，它们需要
  • 在它们之间建立通信链路
  • 例如：邮箱(间接)或基于pid(直接)
  • 通过send/receive交换消息
• 直接与间接通信
  • 直接通信
    • 对称寻址: send(P, Message), receive(Q, Message)
    • 非对称寻址: send(P, message), receive(id, Message)
  • 间接通信
    • send(A, Message), receive(A, Message) -邮箱A
    • 邮箱可以由进程和操作系统实现
    • 邮箱所有者：谁可以接收消息
• 同步机制
  • 消息传递可以是阻塞的或非阻塞的
  • 阻塞被认为是同步的
    • 阻塞发送：发送者阻塞直到消息被接收
    • 阻塞接收：接收者阻塞直到有消息可用
  • 非阻塞被认为是异步的
    • 非阻塞发送：发送者发送消息后继续执行
    • 非阻塞接收：接收者接收有效消息或返回空值
• 缓冲机制
  • 附加到链路的消息队列
  • 零容量：0条消息
    • 发送者必须等待接收者
  • 有些容量：有线长度的n条消息
    • 如果链路满，发送者必须等待
  • 误解容量：无限长度
    • 发送者永不等待

POSIX共享内存

概念

• 进程首先创建共享内存段
• 也用于打开现有的内存段
• 设置对象的大小
• 使用mmap()将文件指针内存映射到共享内存对象
• 对共享内存的督学通过mmap()返回的指针完成

管道

• 管道作为一个通道，允许两个本地进程通信
• 关键问题
  • 通信是单向的还是双向的？
  • 在双向通信的情况下，是半双工还是全双工？
  • 进程之间是否必须存在关系（即父子关系）？
  • 管道是否可以在网络上使用？
  • 通常只用于本地进程
• 普通管道
  • 普通管道允许生产者-消费者风格的通信
  • 生产者写入一端
  • 消费者从另一端读取
  • 因此普通管道是单向的
  • 如果需要双向通信，需要两个管道
  • 要求通信进程之间有父子关系
• 命名管道
  • 命名管道比普通管道更强大
  • 通信是双向的
  • 进程之间不需要父子关系
  • 多个进程可以使用命名管道进行通信
  • 命名管道在UNIX和Windows系统上都有提供
  • 在Linux上，它被称为FIFO

客户端-用户交互

套接字(Socket)

• 套接字被定义为通信的端点
• IP地址和端口的连接
• 套接字 161.25.19.8:1625 指的是主机 161.25.19.8 上的端口 1625
• 通信在一对套接字之间进行