操作系统-进程管理

2. 进程管理

2.1 进程是什么

进程笼统的讲：

• 进程是系统资源配置和调度的基本单位
• 进程是程序独立运行的载体，保障程序正常执行
• 进程使得操作系统资源的利用率大幅提升

但进程的本体是：

• 用于描述和控制进程运行的通用数据结构
• 记录进程当前状态和控制进程运行的全部信息
• 进程控制块（PCB）是使得进程能够独立运行的基本单位

进程的本体也可以认为是一堆信息的集合，包含进程标识符、处理机状态、进程调度信息、进程控制信息。这四种信息包含：

• 标识符
• 进程状态
• 程序计数器
• 内存指针
• 上下文数据
• IO状态信息
• 记账信息
• …

进程控制块 (Process Control Block, PCB) ：描述进程的基本信息和运行状态。本身经常被操作系统读取的，所以要常驻内存（磁盘的读写很慢，内存的较快些），系统会专门为其开辟一个区域

2.1 进程与线程

进程（Process）与线程（Thread）的关系是面试经常考到的，进程是相对大的概念，一个进程包含一个或多个线程。 从系统层来看，进程是系统进行资源配置和调度的基本单位，但是线程是运行调度的最小单位。在执行一个进程时可以同时存在多个线程，这些线程会共享进程的资源。

QQ 和浏览器是两个进程，浏览器进程里面有很多线程，例如 HTTP 请求线程、事件响应线程、渲染线程等等，线程的并发执行使得在浏览器中点击一个新链接从而发起 HTTP 请求时，浏览器还可以响应用户的其它事件。

	进程	线程
资源	资源配置的基本单位	不拥有资源
调度	独立调度的基本单位	独立调度的最小单位
系统开销	进程系统开销大	线程系统开销小
通信	进程间IPC通信	读写同一进程数据通信

2.2 五状态模型

• 创建状态：fork() 函数创建，分配PCB并插入就绪队列，该状态唯一有的就是PCB但是资源、CPU都没有。
• 终止状态： 系统清理并归还PCB的状态。
• 就绪状态（ready）： 其他资源都有，只有CPU没有，等待进程调度，一旦获得CPU资源就跳入执行状态。可以想象处在就绪状态的进程是非常多的（对于单核处理器，一次只能有一个执行状态的进程），这些进程就会排成就绪队列。
• 执行状态（running）： 获得CPU以及其他资源时，便进入执行状态。
• 阻塞状态（waiting）： 在执行态下因某种原因，放弃CPU资源便进入阻塞状态，阻塞状态的进程多了，也就有了阻塞队列。因为相较于CPU的执行速度，有些走IO设备的资源要慢很多（如打印机、串口通信等），所以需要将CPU让给其他进程比较好。

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注意点：

• 只有就绪态和运行态可以相互转换，其它的都是单向转换。就绪状态的进程通过调度算法从而获得 CPU 时间，转为运行状态；而运行状态的进程，在分配给它的 CPU 时间片用完之后就会转为就绪状态，等待下一次调度。
• 阻塞状态是缺少需要的资源从而由运行状态转换而来，但是该资源不包括 CPU 时间，缺少 CPU 时间会从运行态转换为就绪态。

2.3 进程同步

同步问题最知名的就是生产者-消费者问题和哲学家进餐问题问题了，这些问题的根源是临界资源的管控出现了问题，彼此之间没有通信。解决方案是“如果生产者通知消费者我已经完成一件生产”和“哲学家向旁边哲学家说我要进餐了”就可以协调好多个进程对临界资源的使用了。

进程同步的方法：消息队列、共享存储、信号量
线程同步的方法： 互斥量、读写锁、自选锁、条件变量

2.3.1 生产者-消费者问题

2.3.2 哲学家进餐问题

2.3.3 读者-写者问题

2.4 进程间通信

进程通信：进程间传输信息。进程通信是一种手段，而进程同步是一种目的。也可以说，为了能够达到进程同步的目的，需要让进程进行通信，传输一些进程同步所需要的信息。

进程间通信方法：

• 管道
• FIFO
• 消息队列
• 信号量
• 共享存储
• 套接字

2.5 Linux的进程管理

2.5.1 Linux 关于进程的常见命令

>> ps // 查看当前进程
>> top // 查看当前进程的状态，以及CPU、内存等信息，与任务管理器类似
>> kill // 给进程发送指定信号（杀死进程的使用多些 `kill 9`）
>> fork //创建进程
>> pstree // 显示父子进程关系

2.5.2 部分名词解释

• 进程ID：

  • ID为一非负整数，是进程的唯一标识符
  • ID=0为idle进程，是系统创建的第一个进程
  • ID=1为init进程，是idle进程的子进程，完成系统初始化
  • init进程是所有用户进程的祖先进程

• 进程状态标记：

  状态符号	状态说明
  R	(TASK_RUNNING)，进程正处于运行状态
  S	(TASK_INTERRUPTIBLE)，进程正处于睡眠状态
  D	(TASK_UNINTERRUPTIBLE)，进程正在处于IO等待的睡眠状态
  T	(TASK_STOPPED)，进程正处于暂停状态
  Z	(TASK_DEAD or EXIT_ZOMBIE)，进程正处于退出状态，或僵尸进程