進程

進程基本概念

進程包括程序代碼（又稱文本段或代碼段），當前活動（通過Program Counter和當前寄存器內的內容表示），進程堆棧段（包括臨時數據，比如函數參數、返回地址和局部變數）和數據段（包括全局變數），堆（用於運行時動態分配內存）。

程序：靜態的內容，可執行文件。

進程：活動的實體，有PC表示下一個要執行的命令和相關資源集合。

進程的狀態

PCB

進程狀態：上面說的new, ready, running, waiting, terminate

PC：表示進程要執行的下個指令的地址

CPU寄存器：包括累加器，索引寄存器，堆棧指針、通用寄存器和其它條件碼信息寄存器，用於保存一些中間狀態，以便之後能順利執行（比如執行了中斷之後）

CPU調度信息：進程優先順序，調度隊列指針和其它參數等

內存管理信息：基址寄存器和界限寄存器，頁表或段表

記賬（Accounting）信息：包括CPU時間、實際使用時間、時間界限、記賬數據、作業或進程數量等

I/O狀態信息：包括分配給進程的I/O設備列表，打開的文件列表等

進程間切換

進程調度基本概念

進程進入系統的時候會被加入作業隊列中，作業隊列保存了系統中的所有進程。

已經被調入內存中等待執行的的進程會進入Ready queue。

隊列用鏈表表示，有頭尾指針，以及指向當前正在運行的進程的current指針。

等待I/O的設備會被放進設備隊列。

Scheduler分為Long-term Scheduler和Short-term Scheduler。

對於批處理系統來說，long-term scheduler負責將提交了的作業從緩衝池中取出放進內存中（即放進Ready queue中），short-term scheduler（又叫做CPU scheduler）負責將進程從Ready queue中取出。

short-term scheduler因為需要頻繁執行調度，所以必須調度的速度要儘可能快。long-term scheduler需要選擇合適組合I/O-bound進程（大部分時間在做設備I/O）和CPU-bound進程（大部分時間在做計算）。不是所有的操作系統都有long-term scheduler。

time-sharing系統可能需要引入medium-term scheduler。medium-term scheduler的思想是能將進程從內存（and from active contention for the CPU）中移出，and thus reduce the degree of multi-programming。之後進程還能再被調入內存中繼續執行。這叫swapping。

通常，通過state save保存CPU當前狀態（不管是在kernel mode還是在user mode），之後通過state store重新執行。

上下文切換（context switch）的定義：Switching the CPU to another process requires performing a state save of the current process and a state restore of a different process. This task is known as a context switch.

上下文切換髮生時，內核將就舊進程的狀態保存在PCB中，然後裝入要執行的進程的上下文。

上下文切換屬於額外的時間開銷，速度因機器不同而不同。

進程創建

When a process creates a new process, two possibilities for execution exist:

1. The parent continues to execute concurrently with its children.

2. The parent waits until some or all of its children have terminated.

There are also two address-space possibilities for the new process:

1. The child process is a duplicate of the parent process (it has the same program and data as the parent).

2. The child process has a new program loaded into it.

UNIX系統中每個進程都用一個唯一的整數標識。父進程和子進程間可以通信。兩者都繼續執行fork()之後的指令。對於子進程來說，fork()的返回值為0；對於父進程來說，返回值為子進程的進程標識符pid。

通常系統在調用fork()之後還會繼續執行exec()來執行子進程，這樣子進程會取代父進程的內存空間。父進程能繼續創造更多的子進程，也可以通過wait()把自己從ready queue中移出，等待子進程終止。

進程終止

當進程完成執行最後的語句並使用系統調用exit()請求系統刪除自身的時候，進程終止。這個時候進程可以通過返回狀態值到父進程處（如果父進程執行了wait()）。所有使用的資源（包括物理內存和虛擬內存，打開的文件，I/O緩衝）都會被系統釋放。

A parent may terminate the execution of one of its children for a variety of

reasons, such as these:

? The child has exceeded its usage of some of the resources that it has been allocated. (To determine whether this has occurred, the parent must have a mechanism to inspect the state of its children.)

? The task assigned to the child is no longer required.

? The parent is exiting, and the operating system does not allow a child to continue if its parent terminates.

進程通信

There are several reasons for providing an environment that allows process cooperation（進程協作）:

? Information sharing. Since several users may be interested in the same piece of information (for instance, a shared file), we must provide an environment to allow concurrent access to such information.

? Computation speedup. If we want a particular task to run faster, we must break it into sub-tasks, each of which will be executing in parallel with the others. Notice that such a speedup can be achieved only if the computer has multiple processing cores.

? Modularity. We may want to construct the system in a modular fashion, dividing the system functions into separate processes or threads, as we discussed in Chapter 2.

? Convenience. Even an individual user may work on many tasks at the same time. For instance, a user may be editing, listening to music, and compiling in parallel.

進程需要IPC（進程間通信機制）來允許進程相互交換信息和數據。進程間通信有兩種基本模式：共享內存和消息傳遞。在共享內存的模式中，兩者可以共同讀寫訪問一塊共享的內存區域來交換信息。在消息傳遞模式中，通過進程間交換信息來實現通信。

內存共享比消息傳遞快。消息傳遞系統通常需要系統調用來實現；而在共享內存系統，僅在簡歷共享內存區域的時候需要系統調用，在建立共享內存之後，所有的訪問都是常規的內存訪問。

共享內存系統

生產者-消費者問題：生產者進程產生信息以提供消費者進程消費。比如client-server中，client是生產者而server是消費者。

為了允許生產者進程的消費者進程能並發執行，必須有一個buffer來被生產者填充，冰杯消費者所使用。這個buffer是在生產者進程和消費者進程的共享內存區域內的，當消費者使用一項的時候，生產者進程能產生另外一項，且生產者和消費者必須同步，以免消費者消費一個未被生產出的項。

其中unbounded-buffer是對buffer的大小沒有限制，即消費者可能不得不等待新的項，但是生產者可以不停地生產新的項。bounded-buffer假設buffer大小固定，這樣的話如果buffer為空，那麼消費者必須等待；如果buffer為滿的，那麼生產者必須等待。