[操作系统] 进程的详细认识----从概念到调度-Toy模板网

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前言

一.进程的概念

二.进程和程序之间的关系

2.1二者的关系

2.2资源的占用

三.进程的任务

四.进程的管理

五.PCB中的信息

5.1pid进程标识

5.2内存指针

5.3文件描述符表

六.进程的调度

6.1CPU的简单认识

6.2调度的方式

6.3PCB中调度相关属性

七.进程的通信与隔离

总结

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🎄 本章讲解内容：进程的讲解

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前言

操作系统是一种软件，它管理计算机硬件和软件资源，并提供给用户和其他软件程序使用计算机的接口。它充当计算机系统的核心，为用户和应用程序提供一个友好的环境。而本文讲解的是操作系统当中最为核心的概念----进程

一.进程的概念

每个应用程序运行于现代操作系统之上时，操作系统会提供一种抽象，好像系统上只有这个程序在运行，所有的硬件资源都被这个程序在使用。这种假象是通过抽象了一个进程的概念来完成的，进程可以说是计算机科学中最重要和最成功的概念之一。

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：进程就是正在运行的程序

注：每个进程都有自己的内存空间、程序计数器、寄存器和打开的文件等资源。

进程特征： 动态性、并发性、独立性、异步性、结构性

二.进程和程序之间的关系

2.1二者的关系

程序是指一些exe的可执行文件，只存在于硬盘当中，例如：

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程序变成进程的详细过程：双击程序，操作系统就会把可执行文件中的数据和指令，加载到内存中，并且CPU会去执行指令，完成一系列相关的工作，从而运行起来变为进程

进程的查看：点开任务管理器，就可以看见目前有多少进程正在运行。

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注：一个程序可以多次运行，而每一次运行都会创建一个进程。

进程的状态有：运行、就绪、阻塞、创建、结束

2.2资源的占用

程序也就是exe可执行程序，占用的是硬盘空间。

进程，是程序的运行，需要消耗CPU的资源、内存资源、硬盘、网络带宽等。

在操作系统内部，进程是操作系统进行硬件资源分配的基本单位。

三.进程的任务

操作系统使用进程来管理计算机系统中运行的程序。进程是程序的执行实例，它包含了程序的代码、数据和执行状态。操作系统通过进程来分配系统资源、调度进程执行、保护进程和协调进程间的通信。

进程的主要任务包括：

进程创建：当一个程序被执行时，操作系统会创建一个新的进程来运行该程序。这涉及到为进程分配唯一的标识符和初始化进程的执行环境。
进程调度：操作系统根据一定的调度算法，决定哪些进程能够获得CPU的执行时间，并且在多个进程之间进行切换。调度算法可以根据进程的优先级、等待时间等因素来进行决策。
进程同步与通信：多个进程可能需要相互协作完成任务，因此操作系统提供了各种机制用于进程间的同步和通信。例如，信号量、互斥量、管道、消息队列等。
进程挂起与恢复：操作系统可以将一个正在执行的进程暂停，

四.进程的管理

进程为什么需要管理？一台计算机有很多进程，而如果不进行管理，则会发生混乱

管理步骤：描述和组织

描述：会使用一个专门的 结构体 记录一个进程里面的各个属性。

解析：结构体，便是C语言的结构体，并且为了描述进程的结构体，有一个专门术语：PCB（进程控制块)。

组织：使用一系列的数据结构，把多个进程进行一个有效的组织，方便进行遍历，查找等

解析：在Linux中，数据结构通常会使用双向链表的方式：

当查看进程列表时，本质便是遍历这个链表

创建一个进程时，就是创建了一个PCB，并且插入到链表上

销毁一个进程，就是讲一个PCB结构体从链表上删除并释放

额外补充：为什么是C语言的结构体，因为操作系统主要由C/C++来实现。

五.PCB中的信息

问：PCB是进程控制块，专门用于描述进程，可是它又具有什么信息呢？

答：操作系统使用进程控制块（PCB）来跟踪和管理每个进程的状态，主要有pid进程标识、内存指针、文件描述表

5.1pid进程标识

同一个系统，同一个时刻，虽然运行的是同一个程序，但进程不一样，因此pid用于区分每一个进程。

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例如：一个微信会有那么多进程存在，因此为了更好区分，使用pid进行标识。

5.2内存指针

表示了该进程，对应的内存资源，而内存资源主要存储：exe中可执行加载的指令和数据

而且还需要保存一些在运行过程中的中间结果之类的数据

5.3文件描述符表

内存指针与内存资源有关，而文件描述符表则是与硬盘资源有关。

每一个进程都会有一个文件描述符表，作用：记录当前进程正在使用哪些文件。

六.进程的调度

进程调度是操作系统中的一个重要概念，它决定了在多道程序环境下，哪个进程将获得CPU的使用权。进程调度的目标是提高系统资源的利用率和响应性能。

6.1CPU的简单认识

在讲解进程的调度前，我们先来讲解一下CPU，进程是需要在CPU上执行指令的，可是CPU只有1个，进程却有很多，那又怎么办呢？答案：轮着使用

在早期，CPU是单核的，所以同一个时刻只能允许一个进程运行，但是在后期，CPU不断的优化，虽然还是一个CPU，但是已经是多核了，也就是说，同一个时刻允许多个进程运行。

而现在八核十六线程、六核十二线程等的CPU，又是什么意思呢？意思就是在核的基础上又分成了2个，一个核可以允许2个线程的运行。而至于线程可以想象为简略版的进程

6.2调度的方式

进程的调度有2种方式，并行和并发

并行：同一时刻，N个进程同时在N个CPU核心上运行

并发：两个进程在轮着在CPU上运行，串行执行

注:由于CPU切换过程速度极快，因此微观上并发是串行执行，但宏观上，进程是同时执行

操作系统在调度进程时，可能是按照并行也可能是按照并发来调度，由于速度过快，导致我们无法感知。因此通常会用并发来代指并发和并行

6.3PCB中调度相关属性

在PCB中关于进程调度的相关属性，是描述了进程对应CPU资源的使用情况。

属性有：状态、优先级、上下文、记账信息

状态主要有2种：阻塞状态，就绪状态。状态可以相互转换哦

就绪状态：进程已经随时做好了在CPU上执行的准备了。
阻塞状态：进程并没有准备好在CPU上执行，也称睡眠状态

优先级：指两个进程执行时，谁先谁后执行。但执行的顺序不是指谁先运行，而是为每个进程分配一个优先级，优先级高的进程先执行。

上下文：进程是一个接一个(串行)执行，但是进程一次运行不完（例如：后台应用），因此为了保证下次CPU执行时，可以从上次运行到的位置进行往后运行，相当于存档和读档，因此上下文记录的是进程在执行过程中，CPU的寄存器对应的数据

记账信息：统计每个进程都分别执行了多久，分别执行了哪些命令，分别排了多久的队，给进程的调度提供指导依据。

七.进程的通信与隔离

进程是操作系统进行资源分配的最小单位，这意味着各个进程互相之间是无法感受到对方存在的，这就是操作系统抽象出进程这一概念的初衷，这样便带来了进程之间互相具备” 隔离性(Isolation）“，但是要完成一个复杂的业务需求，往往无法通过一个进程独立完成，总是需要进程和进程进行配合地达到应用的目的，如此，进程之间就需要有进行“信息交换“的需求，也就是通信.

隔离：进程就相当于一个个通道，在这些通道中分配资源，当其中一个进程崩溃，并不会影响其他进程。进程之间的独立性就依仗于虚拟内存地址。通过虚拟内存地址使其具有隔离性。

通信：相互隔离的进程之间有时也需要交互，交互的过程就是通信。主流操作系统提供的进程通信机制有如下：
1. 管道 2. 共享内存 3. 文件 4. 网络 5. 信号量 6. 信号