操作系统之进程的初步认识(1)

绝地灬酷狼 2023-09-24 23:54 64阅读 0赞

### 进程 ###

*   *  1. 进程的相关概念
     *   *  1.1 进程的定义
         *  1.2 进程的概念(1)
         *  1.3 进程的概念(2)
     *  2. 进程和程序的区别
     *  3. 进程管理:
     *   *  3.1 进程的结构体有哪些属性
         *   *  (1) Pid(操作系统里指进程识别号)
             *  (2) 内存指针
             *  (3) 文件描述符表
         *  4. 进程调度:
         *   *  (1) 并行
             *  (2) 并发
         *  5. 进程调度需要的属性
         *   *  (1) 进程状态
             *  (2) 进程优先级
             *  (3) 进程上下文
             *  (4) 进程的记账信息
         *  6.操作系统的常用数据结构

## 1. 进程的相关概念 ##

进程是一个具有**独立功能的程序**关于某个数据集合的一次运行活动。它可以**申请**和**拥有**系统资源，**是一个动态的概念，是一个活动的实体**。它不只是程序的代码，还包括当前的活动，通过程序计数器的值和处理寄存器的内容来表示。

### 1.1 进程的定义 ###

狭义定义：进程是正在运行的程序的实例（an instance of a computer program that is being executed）

广义定义：进程是一个具有一定**独立功能**的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它是操作系统动态执行的基本单元，在传统的操作系统中，进程既是基本的分配单元，也是基本的执行单元。

### 1.2 进程的概念(1) ###

**进程是一个实体**。每一个进程都有它自己的**地址空间**，一般情况下，包括文本区域（text region）、数据区域（data region）和堆栈（stack region）。文本区域存储处理器执行的代码；数据区域存储变量和进程执行期间使用的动态分配的内存；堆栈区域存储着活动过程调用的指令和本地变量。

### 1.3 进程的概念(2) ###

**进程是一个“执行中的程序”**。程序是一个没有生命的实体，只有处理器赋予程序生命时（**操作系统执行时**），它才能成为一个**活动的实体**，我们称其为 进程(下面讲到为什么进程是活动的实体)。

通俗一点理解,我们可以将 运行中的程序 看做是 进程,比如我们平时经常使用到的QQ,当我们打开qq这个app时就相当于启动了一个进程,操作系统就会为该进程分配内存空间.

我们看下图:

![在这里插入图片描述][bd6e0a62768444d1b8ce47cc43f761de.png]

## 2. 进程和程序的区别 ##

首先我们要明白程序是什么？程序是我们写下来的一段代码，而进程的产生是因为代码开始执行了。

就像下图:  
![在这里插入图片描述][5e0ddfa37c3a4504b139eeb13dee755c.png]

此时我们便可以通过这个图片来理解程序和进程的区别:

一、 进程是动态的，程序是静态的：程序是有序代码的集合，进程是程序的执行。进程有核心态/用户态。  
程序是静态的很好理解，那自己写的代码当然是静态的。进程是动态的也好理解，代码开始执行，那肯定会执行完毕，执行完毕了，进程也就消亡了，所以进程是动态的。

二、 进程是暂时的，程序是永久的；进程是一个状态变化的过程，程序可以长久保存  
基于一的解释，二这个也是相同的理解。

三、进程和程序的组成不同，进程的组成包括程序、数据和进程控制块（即进程状态信息）  
由于进程是动态的，并且需要间断的执行，那么就需要保存进程的状态信息。

## 3. 进程管理: ##

操作系统本身是一个大话题,是一个非常发杂的软件.它本身的功能有很多,其中有一个和咱们密切相关的功能模块, 进程管理!

为什么我们需要进程管理呢?

大家看图:

![在这里插入图片描述][1516f1244f1f447fbb1483b9e3607bba.png]  
可以看到,由于我们的进程很多,才需要管理,如果进程只有几个的话当然涉及不到进程管理.

如何进行进程管理呢?

1.  描述一个进程,使用结构体/类,把一个进程有那些信息表示出来.
2.  组织这个进程,使用一定的数据结构,把这些结构体对象放到一起,(通常是使用双链表这个数据结构)

### 3.1 进程的结构体有哪些属性 ###

关于进程的结构体我们还有一个别称,就是 PCB(进程控制块)

#### (1) Pid(操作系统里指进程识别号) ####

PID（Process Identification）操作系统里指进程识别号，也就是进程标识符。操作系统里每打开一个程序都会创建一个进程ID，即PID。

只要运行一程序，系统会自动分配一个标识

**是暂时唯一**：进程中止后，这个号码就会被回收，并可能被分配给另一个新进程。

只要没有成功运行其他程序，这个PID会**继续分配**给当前要运行的程序。

如果成功运行一个程序，然后再运行别的程序时，系统会**自动分配另一个PID**。

#### (2) 内存指针 ####

当前这个进程使用的内存是哪一部分.(进程运行的时候,使用了哪些内存上的资源)

#### (3) 文件描述符表 ####

如下图:

![在这里插入图片描述][f5898a843ee74af9bd29b96cc1a78860.png]  
上图红色框中的都是文件,

**文件**: 比如硬盘上存储的数据,往往就是以文件为单位进行整理的.

进程每打开一个文件就会产生一个 ‘文件描述符’(标识这个文件被打开) .由于一个进程可能会打开很多文件,自然对应了**一组文件描述符**,把这些文件描述符放到了类似于**顺序表**这样的一个数据结构中,就构成了**文件描述符表**!

*文件描述符表描述了:你这个进程使用了那些文件,或者是使用了哪些硬盘资源.*

此时:我们结合内存指针和文件描述符表可以知道,进程的运行需要从操作系统这里申请资源,此时也可以理解为进程是操作系统进行资源分配的基本单位!

下面的属性都是描述个cpu资源相关的属性.这些属性都是辅助进行.

### 4. 进程调度: ###

咱们的程序能够运行,全依仗cpu,每个程序相当于一组’**二进制指令**’的集合,这些指令靠cpu运行.

cpu有一个概念(**核心数**)

以小鱼这个电脑举例:

![在这里插入图片描述][143f1e710f7c4b62ac5718e834aeeb3b.png]

我的电脑只有8个核心,其中每个核心相当于一个员工,并且每个员工可以同时进行两个人的工作,也就可以理解为我的这八个核心可以同时运行16个进程,当时大家刚才已经看到了,我们的任务管理器里面有不小于100个进程正在运行,那我这个小小的8个核心就是累屁了也不能同时运行100多个进程啊.

那么下面就涉及到了计算机为什么可以同时运行这么多的进程了.

#### (1) 并行 ####

**并行性**是指系统具有同时进行运算或操作的特性，在**同一时刻**能完成两种或两种以上担任工作，并行性需要相关硬件的支持，例如流水线或多处理硬件环境。

举个例子:

假设我是一个长的好看,有才华的女生,我有一个择偶标准,就是需要(1)有钱(2)长得帅(3)会舔我(会哄我开心,帮我排解压力).

但是呢,放眼望去,并没有找到符合这三种条件的男生(我们称为ABC),有钱的不帅( A ),帅的没钱( B ),会舔的不帅也没钱( C ).但是我呢,是一个追求完美的女生,我就是想要找到符合我择偶标准的男生,此时呢~我就打算,同时和三个男生交往,因为是同时和他们一起交往,此时就是**并行**.

#### (2) 并发 ####

**并发指两个或多个事件在同一时间间隔内发生**。操作系统的**并发性**是指计算机系统中’**同时**’存在多个运行的程序，因此具有**处理和调度**多个程序同时执行的能力。在操作系统中引进程序的目的是使程序能够**并发**执行。**在多道程序环境下，一段时间内，宏观上有多道程序在"同时"执行**，而在每一个时刻，单处理机环境下 实际仅能有一道程序执行，因此 微观上这些程序是分时交替执行的。操作系统的**并发性**是通过分时得以实现的。

依旧是通过上面的例子举例:

因为我是在同时和三个男生交往,那么对于我的名誉来说,我一定是不想让他们碰见的.

所以呢,我就规划了一个时间表:

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>周一,周三,周五</th> 
   <th>周二,周四</th> 
   <th>周六</th> 
   <th>周日</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>有钱的( A )</td> 
   <td>帅的( B )</td> 
   <td>会舔的( C )</td> 
   <td>给自己放个假</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

为什么有钱的可以一礼拜陪他三天,当然是因为金钱的力量啦!!!

于是呢,我就按照上述的表来进行每周的时间分配,当我们把时间的长度调整为1周时,会发现我在不同的时间陪着他们不同的人,但是当我把时间的长度调为1年,2年时,我们就可以认为,我是在"**同时**"和ABC在一起.此时涉及到的性质就是我们所讲到的"**并发**"

### 5. 进程调度需要的属性 ###

#### (1) 进程状态 ####

简单的认为进程的状态主要是这两个:

就绪态: 该进程已经准备好,可以随时上cpu执行

阻塞态:该进程暂时无法上cpu执行

我们依旧通过上述的例子演示:

有一天呢,A说我需要出差一个月,那么在他出差的这一个月期间,我都无法跟他在一起,此时**A**就是"**阻塞态**",但是虽然A出差了,但是我还有**B,C**,此时我可以随时去找这两个男友,陪他们在一起,此时这两位男友就是"**就绪态**".

#### (2) 进程优先级 ####

进程之间的调度不一定是公平的,有的需要优先调度~~

例如:

为什么我会给A分配更多的时间来陪我,是因为A有钱,有钱就体现了他的重要性,当然要A优先了,那么为什么只让C一礼拜陪我一次,当然是因为,他除了能把我舔的开心,没有其他用途了,一没钱二不帅,优先级自然就是最后的了.

#### (3) 进程上下文 ####

上下文就是描述当前的进程执行到了哪里,这样的一个"存档记录".

进程在离开ccpu的时候要把当前运行的中间结果进行"存档",等下次进程回来cpu上,再回复之前的"存档",从上次的结果继续往后执行.

所谓上下文具体指的就是进程运行过程中,cpu内部的一系列**寄存器**的值.

**寄存器**:

> 寄存器有很多种,其中最典型的作用就是保存当前进程执行的中间结果,包括执行到了哪一条指令.

存档: 进程离开cpu就需要将寄存器的值保存在PCB上下文字段中~~

读档: 进程下次回来,cpu再把PCB中的值恢复到寄存器中.

**举例**:

有一天A跟我说,你准备准备咱们下个月去三亚旅游,那么此时我需要准备的就是性感泳衣啦!之后,在我陪着B的时候,他对我说下个月我妈妈过生日,你记得准备下生日礼物啊!那么我就想,阿姨的生日礼物就买个手机吧.

后来A问我东西准备好了吗,但是由于我一时间记不清,便说了手机已经买好了,B问我准备好了吗?我又回答说性感泳衣已经买好了.此时不就是穿帮了嘛,所以我们需要**进程的上下文**来记录我们的事情进行到了哪里!

#### (4) 进程的记账信息 ####

统计了每个进程在cpu上执行了多久~~  
可以作为调度的参考依据.

例如: 我一礼拜只陪C一天,导致C舔我舔的不是那么用心了,此时我一看陪伴C的天数,发现是陪伴他的次数太少了,于是我需要一礼拜多抽出几天陪他,这样他就会又很用心的舔我了~当然,这样的情况也只是暂时的,等他又用心舔我之后,我依旧是一礼拜只陪他一天…

### 6.操作系统的常用数据结构 ###

操作系统往往使用双向链表这样的结构来组织PCB~~

1.创建一个进程就是创建一个链表的结点  
2.销毁一个进程就是把链表中的结点给删除了  
3.遍历进程就是遍历双向链表

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