抽象：进程

摘自《操作系统导论》，一些基础概念

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）。是操作系统让这些字节运行起来，让程序发挥作用

关键问题：如何提供有许多 CPU 的假象？虽然只有少量的物理 CPU 可用，但是操作系统如何提供几乎有无数个 CPU 可用的假象？

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，然后切换到其它进程，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

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

机制、策略

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

操作系统中有一些智能以策略（policy）的形式存在。策略是在操作系统内做出某种决定的算法。例如，给定一组可能的程序要在 CPU 上运行，操作系统应该运行哪个程序？操作系统中的调度策略（scheduling policy） 会做出这样的决定，可能利用历史信息（例如，哪个程序在最后一分钟运行得更多？）、工作负载知识（例如，运行什么类型的程序？）以及性能指标（例如，系统是否针对交互式性能或吞吐量进行优化？）来做出决定

提示：分离策略和机制

在许多操作系统中，一个通用的设计范式是将高级策略与其低级机制分开[L+75]。你可以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

抽象：进程

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）。 正如我们上面所说的，一个进程只是一个正在运行的程序。在任何时刻，我们都可以清点它在执行过程中访问或影响的系统的不同部分，从而概括一个进程。

为了理解构成进程的是什么，我们必须理解它的机器状态（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。许多指令明确地读取或更新寄存器

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（Program Counter，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

进程创建

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

在早期的（或简单的）操作系统中，加载过程尽早（eagerly）完成，即在运行程序之前全部完成。现代操作系统惰性（lazily）执行该过程，即仅在程序执行期间需要加载的代码或数据片段，才会加载。要真正理解代码和数据的惰性加载是如何工作的，必须更多地了解分页和交换的机制。现在，只要记住在运行任何程序之前，操作系统显然必须做一些工作，才能将重要的程序字节从磁盘读入内存

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

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，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

进程状态

运行：正在执行指令

就绪：进程准备好，但操作系统选择不在此时运行

阻塞

僵尸进程

除了运行、就绪和阻塞之外，还有一些其它进程可以处于的状态

有时候系统会有一个初始（initial）状态

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）

上下文切换

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

数据结构

操作系统充满了我们将在这些讲义中讨论的各种重要数据结构（data structure）。进程列表（process list）是第一个这样的结构。这是比较简单的一种，但是，任何能够同时运行多个程序的操作系统当然都会有类似这种结构的东西，以便跟踪系统中正在运行的所有程序。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

进程列表

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。