进程

一、计算机的组成：

• CPU

中央处理单元

主频、核心数

• 存储器

内存：速度快、空间小、成本高、掉电后数据丢失

外存：速度慢、空间大、成本低、掉电后数据不丢失

• 输入设备
• 输出设备

1.指令（Instruction）

• CPU上能够执行任务的最小单元
• 这些单元都是由二进制来表示（机器语言）

二、浅谈操作系统

1.日常的操作系统

windows10/11

linux

mac os

android

ios

操作系统，本质上是进行管理的软件

对下，要管理所有的硬件设备（通过驱动）

对上，要给软件提供稳定的运行环境

• 要防止硬件被失控的应用程序滥用
• 向应用程序提供API来控制硬件设备

1.操作系统内核

一个操作系统=内核+配套的应用程序（例如系统自带的程序：文件资源管理器）

内核：

• 硬件的驱动程序都是在系统内核中执行的。

内核需要给很多的应用程序提供支持（API）

不同系统的API是不同的，在Java中，系统的API会被JVM进行封装

• 内核态
• 用户态

一个程序在运行的过程中，可能是在用户态工作，也可能是在内核态工作。

进程的隔离性：

一个计算机可以同时运行多个程序，这些程序各自独立运行，不会相互干扰。

三、进程（process）

1.进程的概念

1.进程也叫任务：跑起来的一个程序

2.每个进行要想执行，都需要消耗一定的系统资源（硬件资源：cpu/内存/硬盘/网络/gpu）

3.每个进程，都是系统资源分配的基本单位

2.进程的管理

东西多，才会考虑管理

1.管理的两个角度：

1.描述：

使用类/结构体（PCB），把被管理的一个对象的各个属性表示出来

搞清楚被管理的东西，有哪些属性，表示出来

2.组织：

使用一定的数据结构（如双向链表），把这些表示出来的对象，串起来

为了后续的增删改查

2.PCB(进程控制块)：

操作系统法内核是C和C++写的

• 使用PCB来描述进程的属性
• 一个进程可以用一个或多个PCB来表示

1.系统会使用类似双向链表的数据结构，来组织多个PCB

1.创建一个进程，就是创建PCB,并且把PCB插入到链表中

2.销毁进程，就是把PCB从链表中删除并释放

3.展示进程列表，相当于遍历链表的每个结点

1.PCB的属性：

• PCB是一个非常庞大的结构体，包含很多属性

.在Linux中，pcb叫做 task_struct

1.pid：（进程标识符）

• pid:进程的身份标识

每个进程都会有一个pid,不同进程之间的pid是不同的

2.内存指针（一组属性）

• 描述了进程持有的内存资源

1.每个进程在运行的时候，都会分配一定的内存空间

需要一组指针来区分，这个进程内存空间的具体位置、分配的内存空间中有哪些部分、以及每个部分的作用

2.进程的内存空间，需要有专门的区域存储要执行的指令，以及指令依赖的数据。同时还要存储一些运行时产生的临时数据。

3.文件描述符表

• 描述了进程持有的硬盘资源

• 类似于顺序表的数据结构，要很多元素

• 和文件（硬盘）有关

  进程涉及到因硬盘的操作时，就需要按照文件的方式来操作

进程关联了哪些文件、能操作哪些文件，就是通过文件描述符表进行表示的

3.进程的调度

• 和进程持有的CPU资源相关

一个进程要执行，需要CPU来执行一系列指令

早期的电脑是单核cpu，一个cpu（舞台）在同一时刻，只能执行一个进程（演员）的指令（剧本）。

分时复用（并发执行）

剧本(指令)上有很多幕，很多演员（进程）轮流上舞台（cpu）表演，每个演员只演一会。

就腾出了地方，让其他演员共同演戏

只要演员们轮转的速度足够快，看起来就是连续的，相当于在同时表演

• 只要进程在CPU上轮转的速度足够快，在宏观上就相当于一个CPU在“同时”执行多个进程。

现代CPU是多核心的，有多个舞台

1.并行：

• 如果两个进程同时在两个CPU核心上，在微观上也是同时执行的。

2.并发：

• 一个CPU核心上，通过快速轮转调度的方式，执行多个进程，在宏观上的同时执行，微观上有先后

并发和并行，在应用程序层面感知不到，由系统内部完成调度。

一般会用并发代指并行和并发

PCB的属性：

• PCB中引入了一些属性，来支持操作系统实现进程调度的效果

1.进程的状态

1.就绪状态：

1.进程正在CPU上执行。

2.进程随时准备好，去CPU上执行

2.阻塞状态：

某个进程，某种执行条件不具备，导致这个进程暂时无法参与CPU的调度执行

比如进程等待用户输入

进程还有其他状态等待

2.进程的优先级

• 操作系统在调度多个进程时，并非一视同仁
• 有的进程会具备更高的优先级，优先调度，更好的调配系统资源

3.进程的上下文

进程从CPU离开之前，需要保存现场，把当前CPU中各种寄存器的状态，都记录到内存中（存档）

等到下次进程回到CPU上执行时，此时就可以把保存的这些寄存器的值，恢复回去。（读档）

进程就会沿着上次访问到的位置，继续向后执行。

• CPU中，有些寄存器没有特定含义和作用，只是用来保存运算的中间结果。有些寄存器是有特定含义和作用的

1.保存当前执行到哪些指令的寄存器（程序计数器）（x86_32位cpu上叫eip）

1.是一个2/4/8字节的整数，存的是一个内存地址。这个地址对应的就是程序下一条要执行指令的位置

2.一个exe文件，就包含了指令和数据，运行exe，操作系统就会把指令和数据加载到内存中（内存地址），CPU先从内存中取指令，然后执行指令。初始情况下，程序计数器就指向进程指令的入口（类型main方法）。每次取完一条指令，程序计数器的值就会自动更新，默认指向下一条（顺序执行）。如果遇到跳转类指令（jmp、jcmp、call）就会被设置成跳转到的地址。

2.维护栈相关的寄存器

• 通过一组寄存器来维护当前程序的“调用栈”。栈也是一块内存，这个内存保存了当前这个程序方法调用过程中，一系列的关系，也包含了局部变量和方法参数。

edp始终指向栈底，esp始终指向栈顶

修改esp的值，就可以实现入栈出栈（push指令）

这样才能知道，方法执行完毕后，要回到哪里执行

3.其他的通用寄存器

• 保存计算的中间结果

一个CPU中的寄存器大概有几十到几百字节，数据不多，好保存，也好恢复。

4.进程的记账信息

通过优先级机制，对不同的进程分配了不同权重的资源。

可能会出现极端情况，所有资源都分配给一个进程，其他没有分配到资源

​ 记账信息会记录，当前进程持有CPU的情况（记录在CPU中执行了多久），可以作为操作系统调度进程的参考依据，从而对资源分配进行调整。

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