进程管理笔记一、进程的概念及其产生的背景
引言：计算机的根本特征是其本身为人造学科。进程从根本上说，是操作系统对CPU进行的抽象和装扮。关于进程的系列笔记，会由进程产生背景讲起，本篇是我们故事的起源。
一、进程产生的背景
1.1、单道处理系统—效率低下
在单道处理系统下，CPU和I/O设备的运行是串行的，即在程序进行输入输出时，CPU只能等待。CPU只能不断询问I/O操作是否完成，因而不能执行别的程序。由于I/O设备的运行速度相对于CPU来说实在太慢，这种让高速设备等待低速设备的状况效率较低。
1.2、改进策略—多道编程
人们想，能否将CPU运行和I/O设备的运行重叠起来而改善整个系统的效率呢？基于此想法，人们想起将多个程序同时加载到计算机里面，并发执行。这些同时存在于计算机内存中的程序就称为进程。进程让每个用户感觉到自己独占CPU，因此进程就是为了在CPU上实现多道编程而出现的概念，如下图1所示。
1.3、多道编程的好处
1)、提高CPU利用率
人们发明进程是为了支持多道编程，进行多道编程的目的则是提高计算机CPU的效率，或者说系统的吞吐量。
实例分析：假定一个进程有20%的时间使用CPU进行计算，另外80%的时间来进行I/O，如果使用单道编程，CPU的利用率为20%,但如果是同时运行两个这样的进程，则CPU的利用率将提高至36%(CPU仅在两个进程同时进行I/O时才处于闲置状态，因此利用率为1 - 0.8 * 0.8 = 0.36%)。
随着进程数量的增加，CPU的利用率会逐步提升，但提升的幅度则逐步降低，直到某个临界点时为止，这个临界点为多道编程的极限。之后CPU利用率的提升空间就很小了，进行进程切换带来的开销则变得非常明显。
2)、改善响应时间—提升用户体验
多道编程的第二个好处是改善系统的响应时间，即用户等待时间。毕竟，对于大多数用户来说，关心的是计算机的响应速度。下图为多道编程时事件的发生顺序，其为逻辑并发。
实例分析：我们可以举一个生活中例子，假定我们去银行取号办理业务，1号客户在阐述清楚需要办理的业务后，就在柜台前面填写单子，耗时很长很长，在这个阶段，我们只有排队等待。如果可以让出柜台，那其他人排队等待时间会明显缩短。同理，多道编程，当进程处于I/O时，可以让出CPU处理其他进程，会缩短用户等待的时间，提升用户体验。
1.4、I/O操作脱离CPU如何实现？
这是关于并发实现的问题，简单回答是I/O占用的CPU资源非常少，大部分工作是派给DMA完成的。其I/O过程可以简化如下：CPU计算文件地址 ->委托DMA读取文件 ->DMA接管总线 ->CPU进程A阻塞，挂起 ->CPU切换到进程B ->DMA读完文件后通知CPU（一个中断异常）->CPU切换回A进程操作文件。
正是这样派发任务，并发系统才彰显出它的意义，假定原先读取文件CPU需要等待50ns，现在尽管两次切换上下文各耗时5ns，CPU还是赚取了40ns的执行时间。
二、进程相关概念
人们发明进程是为了支持多道编程，进而提高CPU的利用率，改善用户体验。在深入剖析fork函数、学习进程通信方式等之前，介绍进程逻辑并发概念、进程管理涉及的位置及属性信息、进程的产生及消亡过程、进程的状态转换等。
2.1、进程—逻辑并发
进程，顾名思义就是进展中的程序，一个程序加载到内存后就变为进程，即进程 = 程序 + 执行。下图为不同视角下的进程模型。因为CPU在任意时刻执行的进程只能有一个，概括讲，进程实际是逻辑并发。
进程是操作系统对CPU进行的抽象和装扮。这种抽象同样需要一个物理基础，内存管理让多个进程共享同一个物理内存而不发生冲突。进程调度将CPU在多个进程间切换。
2.2、进程的位置
我们知道进程最少必须包括一个或一组被执行的程序，与这些程序相关联的是局部变量、全局变量和已经定义常量的数据单元。因此，一个进程至少包括足够的内存空间，以保存该进程的程序和数据；此外程序的执行通常涉及用于跟踪过程调用和过程见参数传递的栈。最后，与每个进程相关联的还有操作系统用于控制进程属性的进程控制块（PCB）。程序、数据、栈和属性的集合称为进程映像（Process image）。其如下图5所示：
进程映像的位置依赖于使用的内存管理方案，现代操作系统多采用段页式划分的方式 。为执行该程序，整个进程映像必须载入内存或至少载入虚拟内存中。（在任意时刻，进程映像的一部分可以在内存中，剩余部分可以在外存中），因此操作系统维护的进程表必须表明每个进程映像中每页的位置。
尽管图6给出了四种不同的表，但是这些表必须以某种方式链接起来或者交叉使用。内存、I/O和文件是代表进程而被管理的，因此进程表中必须有对这些表的直接或间接引用。文件表中的文件可以通过I/O设备访问，有时他们也位于内存或者虚拟内存中，这些表必须可以被操作系统访问到，因此他们受制于内存管理。
2.3、进程的属性
与一个社会管理人的过程类似，操作系统要管理进程就要维护关于进程的属性信息。当一个进程产生时，操作系统也为其创建记录。操作系统用于维护进程记录信息的结构就是进程控制块（Process Control Block， PCB），进程控制块中存放的信息即为有关该进程的资料。
进程控制块包括的信息：可以想象一个人的出生对于一个社会意味着什么。在一个人出生后，医院需要在几天内为其建立记录，该记录包括诸如姓名、性别、体重、身高、父母、何时何地出生、健康状态等，然后该记录用以登记户口，办理身份证，便于政府职能部门对其进行管理。
可以简单把进程控制块信息分为三类，即进程标识信息、进程状态信息、进程控制信息。
- 1、进程标识信息：每个进程分配了一个唯一的数字标识符（Process Indetification, 进程标识符PID），其可以简单的表示为主进程表的一个索引，使得操作系统可以根据进程标识符定位相应的表。用户标识符用于表明拥有该进程的用户。
- 2、处理器状态信息：包括处理器寄存器的内容，当一个进程正在运行时，其信息保存在寄存器中，当进程被中断时，所有的寄存器信息必须保存起来，使得进程恢复执行时这些信息可以恢复。
- 3、进程控制信息：这是操作系统控制和协调各种活动进程所需要的额外信息。
进程控制块保持在操作系统所在的内核空间里，如下图8所示：
2.4、进程的产生与消亡
1)、进程的产生：
- 1、系统初始化时，产生服务进程，使得新的进程和用户程序的执行成为可能。
- 2、 系统初始化后，用户双击可执行文件或者启动程序，系统为其创建进程
- 3、用户可以在程序里面调用fork生成新的进程
操作系统创建进程的步骤如下：
1、分配进程控制块PCB（Process Control Block）
2、初始化机器寄存器
3、初始化页表
4、将程序代码从磁盘读进内存
5、将处理器状态设置为“用户态”
6、跳转到程序的起始地址（设置程序计数器）
2)、进程的消亡：
- 寿终：进程运行完成而退出
- 自杀：进程因错误而自行退出
- 他杀：进程被其他进程所终止
- 处决：进程因异常而被强行终结
2.5、进程的状态
可简单将进程分为三种状态：执行、阻塞和就绪。其状态转换如下图5所示，我们在下篇笔记将介绍进程的调度算法。
小结：本文介绍了多道编程下进程产生的背景、进程逻辑并发、进程位置、进程属性、进程产生于消亡等概念。
参考资料：
1、《操作系统的哲学》 邹恒明 著
2、《操作系统 - 精髓与设计原理 第七版》William Stallings著
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