操作系统进程调度全解析：PCB结构、虚拟内存管理与并发控制实战

进程调度的基本过程

一. 什么是进程？

进程是操作系统对正在运行的程序的抽象。可以将进程视为特定时刻程序的一次执行过程。在操作系统内部，进程是资源分配的基本单位。通过进程，操作系统可以有效地管理和调度系统中的各项任务，使多个任务可以在一个处理器上交替执行，从而实现并发和并行。

二. 进程的组成与描述

1. 进程由两部分组成：描述和组织。

1.1 描述：

进程的属性被存储在进程控制块（PCB）中。PCB 可以被视为进程的档案，其中包含了关键信息，如进程ID、内存指针、文件描述符表等。

举个例子，想象你正在玩一个多人在线游戏。你是一个进程，而你的PCB就包含了你在游戏中的ID、当前所在的地图位置以及你的游戏资源状态。

1.2 组织：

操作系统通过双向链表将多个PCB连接在一起，形成了就绪队列。就绪队列中存放了等待被调度执行的所有进程。当一个进程需要被执行时，操作系统会从就绪队列中选择一个合适的进程进行调度。

举个类比，把就绪队列想象成一个电影院的排队队伍。每个PCB就像一个电影观众，等待着进入放映厅（CPU）观看电影（执行任务）。

2. PCB内部描述了进程的特征：

2.1 进程的特征

1. 进程标识符（PID）： 类似于每个人的身份证号码，用于唯一标识一个进程。

2. 内存指针： 就像是你在地图上的位置标记，指示进程所占用的内存区域。

3. 文件描述符表： 类似于你的工具箱，包含进程持有的文件和其他资源，比如硬盘上的文件。

4. 进程调度相关属性：

   • 进程状态： 就绪状态（随时可执行）、运行状态（当前正在执行）、阻塞状态（无法立即执行，如IO密集操作）。
   • 优先级： 不同进程具有不同的优先级，操作系统根据优先级进行调度。就像不同等级的乘客在机场的登机顺序。
   • 上下文： 在进程切换时，需要保存当前进程的执行状态，以便下次恢复时可以继续执行。这包括CPU寄存器的值，类似于暂停游戏时记录的进度，以便以后继续。
   • 记账信息： 统计进程在CPU上占用的时间和执行的指令数量，影响下一阶段的调度决策。

2.2 并行和并发

调度的目标是实现分时复用，使多个进程共享处理器的时间，从而提高系统的效率。并行和并发是两种实现这一目标的不同方式：

• 并行： 多个进程在不同的处理器核心上同时执行，就像多个厨师在不同的灶台上烹饪不同的菜肴。
• 并发： 微观上，单个核心在同一时刻只能执行一个进程，但在不同进程之间快速切换执行，造成多个任务几乎同时运行的错觉。这由操作系统内核管理。

三. 内存管理：虚拟地址空间

程序获取的内存地址实际上是虚拟地址，而非物理内存地址。虚拟地址是一种抽象，通过操作系统和硬件进行虚拟地址到物理地址的转换。

进程隔离引入了虚拟地址空间的概念，程序不再直接使用真实的物理地址。虚拟地址空间解决了进程间影响的问题，但也引入了新的挑战。进程需要进行数据交互时，需要通过进程间通信来实现。通信方式多种多样，核心思想是创建一个公共空间，用于数据交换。