OS | 4 抽象：进程

CPU虚拟化的方法

操作系统通过虚拟化（virtualizing）CPU来提供这种现象：通过让1个进程只运行1个时间片，然后切换到其他进程，操作系统系统了存在多个CPU的假象。

实现CPU虚拟化，现代操作系统都采用时分共享机制

时分共享（time sharing）：通过允许资源由一个实体使用一小段时间，然后由另一个实体使用一小段时间，如此下去，资源（CPU或网络连接）可以被许多人共享。

时分共享对应技术是空分共享

空分共享：资源在空间上被划分给希望使用它的人。例如磁盘空间就是一个空分共享资源。

进程：是一种抽象

非正式定义

进程就是运行中的程序。

程序本身没有生命周期的，它只是存在磁盘上的一些指令（也可能是一些静态数据）。

是操作系统让这些字节运行起来，让程序发挥作用

所以“字节跳动”就是一个进程？！

操作系统为正在运行的程序提供的抽象，就是所谓的进程（progress）。

在任何时刻，我们都可以清点程序在执行过程中访问或影响的系统的不同部分，从而概括一个进程。

进程的机器状态

1. 内存

   指令存在内存中，正在运行的程序读取和写入的数据也在内存中。因此进程可以访问的内存（地址空间）是该进程的一部分；

2. 寄存器

   如程序计数器（Program Counter, PC）指示程序即将执行哪个命令；

   栈指针（stack pointer）和相关的帧指针（frame pointer）, 用于管理函数参数栈、局部变量和返回地址。

进程API

操作系统提供API的形式

• 创建 create：操作系统必须包含一些创建新进程的方法
• 销毁 destroy：由于存在创建进程的接口，因此系统还提供了一个强制销毁进程的接口。当然，很多进程会在运行完成后自动退出。
• 等待 wait：有时等待线程停止运行是有用的，因此经常提供某种等待接口
• 其他控制 miscellaneous control：除了扇死或等待进程外，有时还可能有其他控制。例如暂停进程，然后恢复（继续运行）
• 状态 status：可以获取进程有关的状态信息的接口，例如运行了多长时间，或者处于什么状态

程序转换为进程的过程

1. 将代码和所有静态数据（例如初始化变量）加载到内存中，加载到进程的地址空间中

   程序最初以某种可执行格式驻留在磁盘上。

   操作系统需要从磁盘读取这些字节，并将它们放在内存中的某处。

   现代操作系统惰性（lazily）执行该过程，即仅在程序执行期间需要加载的代码或数据片段，才会加载。想真正理解惰性加载，必须充分了解分页和交换的机制。

2. 为程序的运行时栈（run-time stack 或 tack）分配一些内存

   栈用来存放局部变量、函数参数和返回地址。

   操作系统分配内存，并提供给进程。

   操作系统可能也会用参数初始化栈。例如会将参数填入 main(int argc, char** argv)函数

3. 操作系统可能为程序的堆（heap）分配一些内存

   堆用于显式请求动态分配数据，通过调用 malloc()请求空间，并通过调用free()明确释放堆

   数据结构（如链表、散列表、树和其他有趣的数据结构）需要堆

4. 操作系统还将执行一些其他初始化任务，特别是与输入/输出（I/O）相关的任务

   例如，在UNIX系统中，默认情况下每个进程都有3个打开的文件描述符（file descriptor），用于标准输入、输出和错误。

通过将代码和静态数据加载到内存，通过创建和初始化栈以及执行与I/O 设置相关的奇台工作，操作系统开始启动程序，在入口处运行，一般是main() 函数。

通过跳转到 main() 例程，OS将CPU的控制权转移到新创建的进程中，从而程序开始执行。

进程状态

进程可以出在以下3种状态之一

• 运行（running）

  在运行状态下，进程正在处理器上运行。意味着它正在执行指令

• 就绪（ready）

  进程已经准备好运行，由于某种原因，操作系统选择不在此时运行

• 阻塞（blocked）

  一个进程执行了某种操作，进入阻塞状态，直到发生其他事件时才会准备运行。
  

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