操作系统与进程

news2024/9/29 0:50:58

1.操作系统

操作系统是计算机中的一个重要软件，它是一个专门进行管理的软件。操作系统可以通过驱动程序来间接管理外部硬件，也可以为计算机中的程序提供一个稳定的运行环境，从而来方便管理各种程序的运行，让程序之间的运行互不影响。

1.2 驱动程序

驱动程序，简单来说就是搭配外部硬件使用的程序码。

比如，我们将一个特殊鼠标插入计算机中，而此时计算机只会将这个鼠标单作一个普通的鼠标，如果我们想要使用这个特殊鼠标的其他功能，我们就要去官网下载特殊的软件。而这个软件，和我们所说的驱动程序差不多。

一个计算机可以同时运行很多个程序，那么计算机是如何对多个运行的程序进行有效的管理呢？这里就涉及到了进程这个东西。

2. 进程

进程可以理解运行的程序，一个进程对应一个运行的程序，多个进程对应多个运行的程序。

2.1 进程的创建

步骤一：将程序文件存储一份到内存中

当我们点击一个.exe文件时，操作系统会将该文件存储一份到内存中，并将运行该程序所需要的指令和数据也存储一份到内存中。

步骤二：创建PCB

创建PCB是一个关键步骤，PCB（后面会介绍PCB）可以理解为一个很大结构体，里面存储着进程中的很多属性，创建完一个PCB之后，就会根据事先存储的数据将PCB初始化，一个进程就创建完成了。创建完PCB之后就会将该进程链接到存储PCB的数据结构的末端。

注意事项：内存中可以同时存储多个进程。

2.2 进程的运行

PCB创建完成之后，操作系统就要运行进程。进程的运行涉及到内存与CPU的交涉。操作系统通过与内存交互，找到对应的PCB里面的内存指针，CPU可以通过内存指针找到指令内存区域，此时CPU就会一条一条的读取，分析，运行内存区域里面的指令，此时，这时PCB就运行完成了。

进程的运行会依赖网盘，硬盘等资源，并且进程运行的过程中，涉及到指令的读取，分析和运行，这些涉及指令的操作设计到CPU，所以，进程的运行也占用了CPU的资源。

所以说，进程是操作系统分配资源的基本单位。

2.3 CPU对进程的分时复用

我们知道一个CPU的逻辑核心一次只能运行一个进程，但是一个计算机中的CPU是有限的，CPU是如何应对多个进程的运行呢？

这里就涉及到了CPU的分时操作。

所谓的分时操作，就是CPU将一段时间分为好几个时间段，每一个时间段用来运行一个进程，由于CPU的计算速度那是相当快，已经远远超出了人类得反应速度，以至于看起来好像是同时执行一样。

像上面一个CPU，通过分时复用的方式来运行多个进程，我们称之为"并发执行”。

多个CPU同时执行多个进程的方式，我们称之为“并行执行”。

2.PCB的介绍

通过前面C语言的学习，我们知道，结构体是可以存储一些自定义类型数据的属性的。由于PCB也是用来存储进程的各种属性，所以PCB可以看作是一个很大的结构体，里面存储了很多关于PCB的属性。

1.PCB的一些关键要点

1.Pid（进程id）

每一个进程都有属于自己的进程id，可以用来区分其他进程。

如下图

2. 内存指针

由于CPU要运行进程时，要使用运行该进程的指令，所以，在PCB中就存在一个内存指针，该指针指向指令的内存区域，CPU就可以通过该指针来找到并运行指令。

3.文件描述符表

进程在运行的过程中，要经常与硬盘上数据进行交互，由于硬盘上的数据都是以文件的形式存储，所以访问硬盘上的数据时，要先进行打开文件的操作，打开文件获得到的数据都会存储到文件描述符表中，则文件描述符表中的每一项都对应了一个打开的文件。

2. PCB的进一步属性

要完成上面的分时复用，就涉及到了PCB的进一步属性，也就是进程调度。

1.进程状态

进程中有很多状态，其中就绪状态和阻塞状态最为典型。

（1）就绪状态，进程处于就绪状态时，说明该进程可以随时到CPU上执行。

（2）阻塞状态，进程处于阻塞状态，说明该进程此时不适合到CPU上执行。

2.进程的优先级

进程的运行也是有优先级的，有些进程的优先级高，就可以多吃到一些CPU的资源。

比如，假如我们电脑上在同时运行着黑悟空和qq两个进程，这时肯定是黑悟空的这个进程的优先级高，它就能多吃到CPU上的资源点。这就好比我们宁愿qq消息的接受延迟几秒，也不要游戏延迟几秒，因为可能就是这几秒，会导致游戏的失败。

3.进程的上下文

当一个进程执行了一段时间，失去CPU之后。过一段时间，当该进程重新运行之后，它会接着上次的状态继续执行，而不是重新开始执行。

这就涉及到了进程中的上下文机制。

由于CPU中有很多寄存器，寄存器中存储了进程运行的中间状态，当一个进程失去CPU时，操作系统就会将寄存器存储的中间状态的值填写到内存（该内存是指PCB中对应的属性）中，当这个进程重新执行时，操作系统就会重新将PCB对应的属性值重新填写到寄存器中，使得该进程能够接着上次的状态去执行，而不是冲头开始执行。