进程综述

定义

进程是正在执行程序的实例，包括程序计数器、寄存器和变量的当前值。

进程不只是程序代码，程序代码称为文本段（代码段），还包括当前活动，通过程序计数器的值和处理器寄存器的内容来表示。此外，进程还包括进程堆栈段（临时数据、函数参数、局部变量、地址）和数据段（包括全全局变量。还可能包括堆（heap），是在进程运行期间动态分配内存。

程序和进程的关系：

1. 程序是被动实体，进程是活动实体（进程有开始，有结束、程序没有；进程会走走停停，程序走停无意义）
2. 一个程序可以对应多个进程（不同进程间代码段相同，而数据段、堆栈等不同）

为什么要有进程这个概念

核心目的：虚拟化CPU，从而支持多个进程在少量的物理CPU上运行（每个进程以为它独享一个CPU）。

操作系统通过虚拟化（virtualizing）CPU 来提供这种假象。通过让一个进程只运行一个时间片，然后切换到其他进程，操作系统提供了存在多个虚拟 CPU 的假象。这就是时分共享（time sharing）CPU 技术，允许用户如愿运行多个并发进程。潜在的开销就是性能损失， 因为如果 CPU 必须共享，每个进程的运行就会慢一点（上下文切换）。

进程创建

核心问题：程序是如何转化为进程的？（即：操作系统如何启动并运 行一个程序？进程创建实际如何进行？）

1. 将代码和所有静态数据（例如初始化变量）加载（load）到内存中，加载到进程的地址空间中。
2. 为程序的运行时栈（run-time stack 或 stack）分配一些内存。
3. 为程序的堆（heap）分配一些内存。
4. 执行一些其他初始化任务，特别是与输入/输出（I/O）相关的任务。（在 UNIX 系统中，默认情况下每个进程都有标准输入stdin，标准输出stdout，标准错误stderr三个文件描述符）
5. 启动程序， 在入口处运行，即 main()。

进程状态

在三状态模型中，进程的三个状态如下：

• 运行（running）：在运行状态下，进程正在处理器上运行。这意味着它正在执行指令。
• 就绪（ready）：在就绪状态下，进程已准备好运行，但由于某种原因，操作系统选择不在此时运行。
• 阻塞（blocked）：在阻塞状态下，一个进程执行了某种操作，直到发生其他事件时才会准备运行。

若加上新建态、退出态，则是五状态模型，两者本质上是一样的，三状态模型更能体现进程核心的状态。

三状态之间的转换如下图：

对应到操作系统中位以下图，处理器中运行的为运行态进程、就绪队列中为就绪态进程、阻塞队列中为阻塞态进程。

需要注意的是，运行态进程有三种转换去向：

1. 发生I/O事件，进入阻塞队列，若I/O事件完成该进程则可转入就绪队列。
2. 时间片到期，操作系统则抢占之，使之进入就绪队列，等待下一次调度。
3. 进程完成，释放。

若考虑到I/O速度较慢且内存数量有限，只能容纳一部分的进程，因此存在内存中所有的进程都在等待I/O的情况。在这种情况中，CPU多数时间处于空闲状态。因此，将所有进程放入内存中是不理智的。可以通过将一部分进程换出到磁盘中，增大操作系统中的进程数目，从而充分利用CPU。

挂起（suspend），即将内存中某个进程的一部分或全部移到磁盘。当内存中不存在就绪态进程时，操作系统就把被阻塞的进程换出到磁盘中的挂起队列（suspend queue），即临时从内存中“踢出”的进程队列。

包含单挂的模型如下，相比与三/五状态模型，增加了一个挂起态：

单挂模型有个缺点：所有已被挂起进程都是阻塞态，那么将被阻塞的进程取回内存无任何意义。若I/O事件完成，阻塞态进程将不再阻塞，可以进入就绪态继续执行。因此可以将挂起态中的进程进行细分，即阻塞/挂起态及就绪/挂起态。

该模型中比较重要的状态转换为：

阻塞/挂起态->就绪/挂起态：若I/O事件完成，则将进程从阻塞/挂起态切换到就绪/挂起态。

进程描述

进程在操作系统内用进程控制块（process control block, PCB)来表示，PCB包含了进程状态、程序计数器、cpu寄存器、cpu调度信息、内存管理信息、记账信息、I/O状态信息等信息。

• 进程状态： 状态可包括新的，就绪，运行，等待，终止等。
• 程序计数器 ： 计数器表示进程要执行的下个指令的地址。
• CPU寄存器： 与程序计数器一起，这些寄存器的状态信息在出现中断时也需要保存，以便进程以后能正确的执行。
• CPU调度信息：这类信息包括进程优先级、调度队列指针和其他调度参数。
• 内存管理信息：根据内存系统，这类信息包括基址和界限寄存器的值，页表或段表。
• 记账信息：这类信息包括CPU时间、实际使用时间、时间界限、记账数据、作业或进程数量等。
• I/O状态信息：这类信息包含分配给进程的I/O设备列表、打开的文件列表等。

进程之间的切换就用到PCB：

xv6中的进程描述信息如下：context即寄存器的上下文。

// the registers xv6 will save and restore
// to stop and subsequently restart a process
struct context {
 int eip;
 int esp;
 int ebx;
 int ecx;
 int edx;
 int esi;
 int edi;
 int ebp;
};


// the different states a process can be in
enum proc_state { UNUSED, EMBRYO, SLEEPING,
 RUNNABLE, RUNNING, ZOMBIE };


// the information xv6 tracks about each process
// including its register context and state
struct proc {
 char *mem; // Start of process memory
 uint sz; // Size of process memory
 char *kstack; // Bottom of kernel stack
 // for this process
 enum proc_state state; // Process state
 int pid; // Process ID
 struct proc *parent; // Parent process
 void *chan; // If non-zero, sleeping on chan
 int killed; // If non-zero, have been killed
 struct file *ofile[NOFILE]; // Open files 
 struct inode *cwd; // Current directory
 struct context context; // Switch here to run process
 struct trapframe *tf; // Trap frame for the
 // current interrupt
}; 

reference

[1] 操作系统-精髓与设计原理

[2] 操作系统导论（ostep）

[3] 操作系统概念

[4] 现代操作系统