二、进程管理
??進程是操作系統實現并發的基礎，了解進程才能明白操作系統運行的實現過程。這篇文章對于進程進行一個討論，希望在讀完之后能對進程有一個清晰的認識。
??進程概念
??對進程概念的介紹，圍繞著這幾個問題：
????1. 為什么要進程？
????2. 什么是進程？
????3. 進程由什么組成？
??1. 為什么要進程？
??多道程序環境下，程序并發執行。為了讓各個程序相對獨立，運行無誤，引入進程這個概念來對并發執行的程序加以描述和控制（這個比較晦澀，從進程本身角度說，程序A運行的時候希望有一個獨立的空間不受他人干擾，進程就提供了這個空間。從使用者的角度說，對操作系統引入進程這個數據結構，能夠更清晰的表達動態系統運行的內在規律）
??2. 什么是進程？
??這個問題說法不一，但我覺得進程就是運行中的程序。這句話也側面解釋了進程和程序之間的區別。程序是靜態的，而進程是動態的。除此之外，進程內部的內容也更多，將在下個問題中介紹。
??3. 進程由什么組成？
??我們常常說的進程其實是進程實體（進程映像） 的簡稱，主要有程序段、相關的數據段、和PCB(下面再詳細介紹)三部分組成。這里的相關數據段包括堆、棧、數據段三類，程序段就是代碼段。
下面詳細介紹一下PCB（這可是進程里面很重要的！）
在介紹PCB之前說一下，為啥要PCB？都知道程序分時運行，到了時間就要換程序執行。那不同程序之間的狀態肯定是不同的（程序A有程序A的數據，程序B有程序B的數據）。之前說過在兩次時間切換之間，操作系統會實現保護現場和恢復現場。那他們的依據從哪來呢？就是PCB！所以PCB就是保存進程中各類數據信息及當前情況的數據結構。
??進程控制塊PCB（process control block）
??PCB中主要包含如下四部分
??1） 進程標識符
??進程標識符的作用就是唯一的標識一個進程，以便于對這個進程進行調用。有兩種類型，針對于用戶和系統使用，分別是外部標識符(用戶)，內部標識符。編程序時fork函數返回的應該是外部標識符。
??2） 處理機狀態
??處理機狀態又稱處理機的上下文(還有一個概念是上下文切換，就是針對于這部分內容的切換)，主要包括各種寄存器中的內容：通用寄存器、當前指令地址(PC)、程序狀態字(PSW)、用戶棧指針。這部分內容也是PCB存儲中最顯著的。
??3） 進程調度信息
??進程調度信息表明該進程當前的狀態(關于進程狀態的分類稍后介紹)，進程的優先級、用于完成調度的其他信息(還有什么？)、如果發生阻塞，存儲阻塞原因。學名叫事件。
??4） 進程控制信息
??指用于進程所必需的信息，包括本進程程序段和數據段的地址(不一定是首地址，可能是當前執行的)、進程同步和通信機制所需要的一些東西(都有哪些？)，資源清單，包括總預計和當前已分配、鏈接指針，本進程PCB所在隊列的下一個進程PCB的首地址(怎么理解？PCB之間的存儲以鏈表形式嗎？)
??如果一個進程一個PCB的話，PCB的數量也不會少。所以需要方式進行管理，目前常用的組織方式包括線性方式、鏈接方式、索引方式。在此不再細說，有需要可以自己去查。
??以上介紹的PCB內容都比較基礎，但其實PCB是一個很大的數據結構。涉及很多方面。更為詳細的說明如下圖(我還沒學到，就先不一一介紹了)：
??下面來補上面的坑，談談什么是進程狀態。
??進程最基本的狀態有三種：就緒、阻塞、執行
??就緒指進程已經準備好了，只要獲得CPU的資源就可以運行程序。因為處于就緒狀態的進程可能很多，所以以隊列存儲，并配合專門的調度算法。
??執行就是進程正在進行，沒啥好說的。對于單核CPU，同一時間只有一個進程處于執行狀態。
??阻塞指執行狀態的進程因某些操作(通常是I/O)而終止運行，進行等待。阻塞完成后會重新進入就緒狀態。
??執行狀態會有兩種變化方向：一種向就緒狀態(時間片到達)，一種向阻塞狀態(發生I/O操作)。三者轉化關系如下圖(圖中引入新的，終止狀態是為了使結構完整)：
??我們常常聽到一個名詞叫”掛起”，比如后臺進程的掛起。掛起也是一種改變進程狀態的操作。那為啥要掛起呢？原因有很多，比如這個進程不用，通過掛起可以將這部分資源拿出來給其他的用。或者是通過掛起完成對進程的控制(不讓運行了)。當引入掛起操作后，就區分出活動和靜止兩個分類(活動就緒，活動阻塞，靜止就緒，靜止阻塞)。普通處于就緒狀態就叫活動就緒，掛起后就變成了靜止就緒，普通處于阻塞狀態就叫活動阻塞，掛起后就變成了靜止阻塞。與掛起相對的是激活操作，實現反向功能。當引入創建狀態的時候，從創建狀態可以直接變成就緒狀態。如果進程在內存中變成活動就緒，在磁盤中變成靜止就緒(遠的就是不用，就靜止)。把所有的狀態都放在一張圖里就是下面這個樣子：
??進程通信
??帶著問題說：
????1. 為什么需要進程通信？
????2. 有哪幾種方式實現進程通信？
??1. 為什么需要進程通信
??關于這個問題，老師給了三種原因：
??1） 當無法改寫應用程序時，用進程通信去操作已有的應用程序(怎么理解？)
??2） 完成同一個任務的多個進程需要通信。
??3） 模塊化、方便（怎么理解？）
??實現進程通信的最大目的就是數據共享，操作系統分時特點，同一程序多個進程間相互協作說白了也是為了實現數據共享。不過這里面的進程通信指的是進程間，而不是進程內部。
??2. 有哪幾種方式實現進程通信呢？
說到通信，最容易想的方式肯定是通過文件。一個寫一個讀，只要處理好順序問題就不會有錯。但文件讀寫也屬于I/O操作，實在太慢。所以操作系統額外提供了三種進程通信的機制：消息隊列、共享內存、管道
??1） 消息隊列
??實際上用鏈表維護了一個消息隊列，進程具有讀或寫的權力。發方寫，再讓收方 讀。很類似于文件，但可能存放的位置不同，使用起來更快。但這里存在一個矛盾，
??隊列中每個數據多大呢？選擇定長的話易設計，但不易使用。不定長相反。所以基本只用于早期系統。有關于消息傳遞的編程可以參考下面這個博客：進程通信之消息隊列_我愛加菲貓-CSDN博客_進程通信消息隊列;
??2） 共享內存
??共享內存就更是簡單粗暴了，既然希望共享數據，直接在內核中開辟一段空間作為共享數據區域，所有進程都可以讀寫。因為是在內核區域，所以存取的速度比較快。也是實現通信的最快方式。不過哪有這么好的事兒？訪問同一區域就會遇到數相關問題(先讀后寫)，所以共享內存的使用建立在進程同步的基礎之上。
??3） 管道
??消息隊列太慢，共享內存沒有規定容易亂。管道就起一個權衡作用，集百家之所長。在內核中開辟一段空間，以隊列方式管理，管道一端只能輸入、一段只能輸出。但管道空間有限，所以要做一些判斷：滿了不能寫，空了不能讀。管道還涉及到一些重定向的問題，我現在也不會，就不說了(美其名曰：揚長避短)。在目前的系統中，管道是用的最多的一種。
??線程
??線程這個概念，應該聽過很多次了吧。在強調并行計算的時候，都會說到多線程。那線程和進程間有什么聯系呢？簡單的總結：線程是進程的一個變種。下面來聊聊吧！
??1. 為什么需要線程？
??咱們首先來比較一下，一個程序的多個進程間有什么異同？
??相同之處：代碼、數據一樣，權限一樣、文件資源一樣
??不同之處：每個進程有各自的執行狀態，PC等寄存器。
??可以把相同不同分為兩個類：資源、執行狀態。資源都相同，還為啥要每個都存一份。只要保存每個進程各自的執行狀態就行了呀！對嘍，這就是線程的思想。把執行狀態取出來，就叫做線程(感覺有點兒像那個提取公因式，hhh)。
??下面來多說一點兒和線程相關的：
??之前認為進程是操作系統中最小的，但其實不是滴。線程才是處理器調度的基本單位。一個進程可以創建多個線程，多個線程共享地址空間、資源，線程也有三個狀態(就緒、執行、阻塞)，操作系統怎么感知線程呢？和進程一樣，進程有PCB，線程有TCB(線程控制塊, Thread Control Block)。每一個線程都要有一個獨立的棧(共用一個會滿滴，所以不行)
??來比較下線程和進程，它們各自都有什么優勢呢？
??線程更快、更小。但獨立性不好(需要共用資源)。進程就反過來了。所以不同不同需求選擇就不同，而不是說線程一定比進程要好。舉個例子網頁瀏覽器多個網頁用的是進程，而不是線程。為什么呢？這就是線程一個最大的(I think)缺點：一個進程中有多個線程，但若一個線程出錯，整個進程被強迫終止。以線程管理網頁就會一個崩，個個崩。所以多線程編程還是多進程編程也是看需要。
??以上常說的線程都叫做內核級線程，是由操作系統內核建立的。但有一個概念要清楚，涉及到操作系統內核的操作必將需要狀態的轉換(用戶態到內核態)，這個是要花時間的。所以能在用戶態做的事情是最好的了。所以又設計了用戶級線程，管理模塊叫做utcb，分配在數據段，同時也要有獨立的棧。因為沒有操作系統參與，但線程仍需要調度。所以需要自己在代碼段完成調度算法。優點就是性能高，靈活（允許進程制定屬于自己的調度算法，進程管理靈活）。拿用戶線程和內核線程做一個比較，如下圖：
??系統調用阻塞問題指用戶級線程如果調用了系統調用，就會引發系統調用阻塞。（可能是沒權利吧）。更詳細的比較可以參考：用戶級線程和內核級線程的區別 - 知乎 (zhihu.com)
??用戶級線程的實現方式有多種（依舊依附于內核級線程）。分為多對一（多用戶對應一內核），一對一（一用戶對應一內核）、多對多（多用戶對應多內核）。這里了解的不是很多，就不說了。
??進程同步
??首先思考一個問題：為什么需要進程同步？試想這樣一個場景，對于一個全局變量，很多個進程都可以訪問并且對該變量進行操作。結合計算機分時系統的特點，那會不會出現不同情況下執行結果不一致的情況。答案是會！（原因在此不做解釋，自己去查查或許印象更深）我們稱這種全局變量為臨界資源，針對于代碼中對于臨界資源的操作過程稱為臨界區，針對于臨界資源產生的問題叫做臨界區問題。
??所以我們需要進程同步機制來控制各個進程對于臨界區的使用。書上對此的描述原文是：進程同步機制的主要任務，是對多個相關進程在執行次序上進行協調，使并發執行的諸進程之間按照一定規則(或時序)共享系統資源，并能很好地相互合作，從而使程序的執行具有可再現性。
??進程同步對于臨界區問題的解決有四個原則：空閑讓進、忙則等待、有限等待、讓權等待。我用自己的理解簡單解釋下：
??空閑讓進：如果臨界區空閑，任何一個需要臨界區的進程都可以使用
??忙則等待：自己想要使用臨界區，但此時此刻被占用，要排隊等待，空了再用
??有限等待：等待也是有限度的，要保證進程能夠使用到臨界區
??讓權等待：如果已經知道沒希望了，趕緊換個進程，別占用等待區的位置
??進程同步只是個機制，那具體可以通過什么方法呢？老師和書一共給了三種方法：Peterson方法、硬件同步機制、信號量機制。下面一一展示下（在此不做詳細的說明，每一種方法展開說都太多，有需要的再去找對應的內容即可）：
??Peterson方法：
??Peterson方法通過增加turn變量結合flag實現了進程同步機制(對于臨界區的唯一使用，如果沖突會卡在while處)。它的優缺點如下圖：
??硬件同步機制
??之所以會發生臨界區問題，就是因為分時復用嘛。分時復用是操作系統按照時鐘中斷進程調度。如果硬件上在每次進入臨界區代碼前，直接關閉中斷。就不會有時鐘，也沒了分時，也不會有任何沖突問題。這就是硬件同步機制的主要思想。如果用鎖來描述的話，關中斷就是關鎖，開中斷就是開鎖，判斷鎖的狀態叫測試。為了防止多個進程同時測試到鎖打開的情況，測試和關鎖必須是連續的。
??硬件同步的具體落實是通過硬件指令實現的，具體的有兩種：test-and-set、swap。（具體的不說了）
??信號量機制
??信號量其實也經歷了一段發展的過程，基本順序可以分成：整型信號量、記錄型信號量、AND型信號量、信號量集，依次介紹下
??整型信號量：
??所謂整形信號量就是定義一個整型量表示資源的使用情況，只有兩個操作wait()和signal()能夠訪問。也對應的稱wait()為P操作，signal()為V操作。
??兩個操作的實現如下（簡單描述）：
??這個例子中S就是信號量，初始化為某一正整數n，代表資源的數目。當資源的數目大于0時（有可用的資源）執行資源自減，然后去做某一處理。當資源為0時會一直卡在while處等待，直至某一進程結束運行后歸還資源再進行分配。通過這種方式，我們就好像建立了一堵墻，拿到鑰匙(資源)才能夠訪問臨界區。
??想想這種方法有什么缺點呢？如果按照這個思路的話，拿不到資源的進程會一直卡在while處，什么也不做，那這個時間片的各種資源就相當于浪費了。把這種現象稱為“忙等”。為了消除忙等，引入了記錄型信號量。
??記錄型信號量
??這種方法是解決了忙等問題。運用的思想是通過改變進程的狀態。之前說過阻塞狀態的進程是不占據資源的。所有如果進程執行到指定位置但沒有資源可用，就改變進程狀態為阻塞狀態。同時用鏈表這種結構對所有阻塞進程進行保存。對于二者的代碼描述如下：
??之前說資源可以有很多個，當只有一個的時候。這時候的信號量叫做互斥信號量。
??使用記錄型信號量幫助我們解決了忙等問題，但再想一下，當面臨多個信號量時wait()的順序是否會影響呢？答案是肯定的！看下面這個：
??如果這個交錯執行的話，就發現死鎖了。引起問題的原因就是順序不對，那要是能一起執行就好了，這就是AND型信號量！
??對于信號量集就是為了模型更一般化，在這里不進行詳細討論了。平時用的感覺也少。
??對于信號量（PV操作）更重要的在應用上，這篇文章主要是一些概念。后面會有一篇專門研究PV操作的幾個典型例題，去了解如何使用PV操作。
??進程這部分到這里也就寫完了，但感覺還遠沒有領悟到精髓，后面再繼續學習吧！
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總結
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