《操作系统导论》第四章读书笔记
------ 杭州 2024-03-17 上午
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1.进程
- 进程：它很简单地被视为一个正在运行的程序。
- 操作系统提供的基本的抽象------ 进程。进程的非正式定义非常简单：进程就是运行中的程序。
- 程序本身是没有生命周期的，它只是存在磁盘上面的一些指令（也可能是一些静态数据）。
- 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。要实现CPU的虚拟化，要实现得好，操作系统就需要一些低级机制以及一些高级智能。我们将低级机制称为机制（mechanism） 。机制是一些低级方法或协议，实现了所需的功能。例如，我们稍后将学习如何实现上下文切换（context switch），它让操作系统能够停止运行一个程序，并开始在给定的CPU上运行另一个程序。所有现代操作系统都采用了这种分时机制。
- 时分共享（time sharing）是操作系统共享资源所使用的最基本的技术之一 。通过允许资源由一个实体使用一小段时间，然后由另一个实体使用一小段时间，如此下去，所谓的资源（例如，CPU 或网络链接）可以被许多人共享。时分共享的自然对应技术是空分共享，资源在空间上被划分给希望使用它的人。例如，磁盘空间自然是一个空分共享资源，因为一旦将块分配给文件，在用户删除文件之前，不可能将它分配给其他文件。
- 操作系统为正在运行的程序提供的抽象，就是所谓的进程（process）。
- 机器状态（machine state）：程序在运行时可以读取或更新的内容 。在任何时刻，机器的哪些部分对执行该程序很重要？进程的机器状态有一个明显组成部分，就是它的内存 。指令存在内存中。正在运行的程序读取和写入的数据也在内存中。因此进程可以访问的内存（称为地址空间，address space）是该进程的一部分。进程的机器状态的另一部分是寄存器。
- 有一些非常特殊的寄存器构成了该机器状态的一部分。例如，程序计数器（ProgramCounter，PC）（有时称为指令指针，Instruction Pointer 或IP）告诉我们程序当前正在执行哪个指令 ；类似地，栈指针（stack pointer）和相关的帧指针（frame pointer）用于管理函数参数栈、局部变量和返回地址。
- 分离策略和机制：将机制看成为系统的"如何（how）"问题提供答案。例如，操作系统如何执行上下文切换？策略为"哪个（which）"问题提供答案。例如，操作系统现在应该运行哪个进程？将两者分开可以轻松地改变策略，而不必重新考虑机制，因此这是一种模块化（modularity）的形式，一种通用的软件设计原则。
2.进程API
- 创建（create）：操作系统必须包含一些创建新进程的方法。在shell中键入命令或双击应用程序图标时，会调用操作系统来创建新进程，运行指定的程序。
- 销毁（destroy）：由于存在创建进程的接口，因此系统还提供了一个强制销毁进程的接口。当然，很多进程会在运行完成后自行退出。但是，如果它们不退出，用户可能希望终止它们，因此停止失控进程的接口非常有用。
- 等待（wait）：有时等待进程停止运行是有用的，因此经常提供某种等待接口。
- 其他控制（miscellaneous control）：除了杀死或等待进程外，有时还可能有其他控制。例如，大多数操作系统提供某种方法来暂停进程（停止运行一段时间），然后恢复（继续运行）。
- 状态（statu）：通常也有一些接口可以获得有关进程的状态信息，例如运行了多长时间，或者处于什么状态。
3.进程创建：更多细节
- 操作系统运行程序必须做的第一件事是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。程序最初以某种可执行格式驻留在磁盘上（disk，或者在某些现代系统中，在基于闪存的SSD上）。因此，将程序和静态数据加载到内存中的过程，需要操作系统从磁盘读取这些字节，并将它们放在内存中的某处。
- 将代码和静态数据加载到内存后，操作系统在运行此进程之前还需要执行其他一些操
作。必须为程序的运行时栈（run-time stack或stack）分配一些内存 。你可能已经知道，C程序使用栈存放局部变量、函数参数和返回地址。操作系统分配这些内存，并提供给进程。操作系统也可能会用参数初始化栈。具体来说，它会将参数填入main()函数，即argc 和argv数组。操作系统也可能为程序的堆（heap）分配一些内存 。在C 程序中，堆用于显式请求的动态分配数据。程序通过调用malloc()来请求这样的空间，并通过调用free()来明确地释放它。数据结构（如链表、散列表、树和其他有趣的数据结构）需要堆。起初堆会很小。随着程序运行，通过malloc()库API请求更多内存，操作系统可能会参与分配更多内存给进程，以满足这些调用。操作系统还将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。例如，在UNIX系统中，默认情况下每个进程都有3 个打开的文件描述符（file descriptor），用于标准输入、输出和错误。这些描述符让程序轻松读取来自终端的输入以及打印输出到屏幕。在本书的第3部分关于持久性（persistence）的知识中，我们将详细了解I/O、文件描述符等。通过将代码和静态数据加载到内存中，通过创建和初始化栈以及执行与I/O 设置相关的其他工作，OS 现在（终于）为程序执行搭好了舞台。然后它有最后一项任务：启动程序，在入口处运行，即main()。通过跳转到main()例程（第5 章讨论的专门机制），OS 将CPU的控制权转移到新创建的进程中，从而程序开始执行。
4.进程状态
- 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。一个常见的例子是，当进程向磁盘发起I/O 请求时，它会被阻塞，因此其他进程可以使用处理器。
- 当从磁盘读取数据或等待网络数据包时，进程会被阻塞。
- 通过保持CPU 繁忙来提高资源利用率。
5.数据结构
- 操作系统是一个程序，和其他程序一样，它有一些关键的数据结构来跟踪各种相关的信息。例如，为了跟踪每个进程的状态，操作系统可能会为所有就绪的进程保留某种进程列表（process list），以及跟踪当前正在运行的进程的一些附加信息。操作系统还必须以某种方式跟踪被阻塞的进程。当I/O 事件完成时，操作系统应确保唤醒正确的进程，让它准备好再次运行。
- 操作系统追踪进程的一些重要信息。对于停止的进程，寄存器上下文将保存其寄存器的内容。当一个进程停止时，它的寄存器将被保存到这个内存位置。通过恢复这些寄存器（将它们的值放回实际的物理寄存器中），操作系统可以恢复运行该进程。我们将在后面的章节中更多地了解这种技术，它被称为上下文切换（context switch）。
- 除了运行、就绪和阻塞之外，还有其他一些进程可以处于的状态。有时候系统会有一个初始（initial）状态 ，表示进程在创建时处于的状态。另外，一个进程可以处于已退出但尚未清理的最终（final）状态（在基于UNIX 的系统中，这称为僵尸状态）。这个最终状态非常有用，因为它允许其他进程（通常是创建进程的父进程）检查进程的返回代码，并查看刚刚完成的进程是否成功执行（通常，在基于UNIX 的系统中，程序成功完成任务时返回零，否则返回非零）。完成后，父进程将进行最后一次调用（例如，wait()），以等待子进程的完成，并告诉操作系统它可以清理这个正在结束的进程的所有相关数据结构。
- 有时候人们会将存储关于进程的信息的个体结构称为进程控制块（Process Control Block，PCB），这是谈论包含每个进程信息的C 结构的一种方式。
