操作系统最核心的概念-进程（上）

为了让大家了解、掌握进程的相关知识，这个不管时面试或者平常工作中都需要接触的重头戏。洪爵以问答的方式把常见的、易错的、大家想知道的问题做个收集 + 解答。

Q1:进程的重要性

操作系统中最核心的概念是进程。进程是对正在运行程序的一个抽象，操作系统其他的所有内容都是围绕着进程的概念展开的。

Q2:为什么我能在同一时间操作多个应用（进程）？

大家可能无意识的发现，现代的计算机经常能在同一个时间里做很多事情。我们举一个例子，假设服务器可使用的CPU只有一个，当客户端发起请求，需要读取某个数据时，服务器接收了请求，我们这里假设服务器没有做任何的缓存，所有数据都在磁盘中。从CPU的角度来说，服务器进程启动了一个磁盘的请求，以获取相应的数据，我们知道CPU的运算速度远远超过了磁盘的读写速度，因此在磁盘处理请求的过程中，CPU就会空闲下来去处理其他的客户端请求。

所以说，CPU由一个进程快速切换至另一个进程，使得每一个进程各运行几十或者几百毫秒。严格的意义上讲，在某一个瞬间，某一个CPU上只能运行一个进程，但在1s内，它是可以运行多个进程的，这就给我们产生了并行的错觉。

Think about it, 你在使用电脑的过程中，数十毫秒的级别里，你都做了什么，是否在这段时间操作了多个应用（进程）？它们的响应速度是怎么样的？

在足够长的时间里，所有的进程都运行了，但在任何一个给定的瞬间只有一个进程真正的在运行。

Q3:进程的模型

一个进程就是一个正在执行的实例，包括程序计数器、寄存器和变量的当前值。每个进程都拥有自己的控制流程，即自己的逻辑程序计数器，每个程序都是独立运行的。但事实上，只有一个物理程序计数器，每个程序在运行时（占用CPU时），它的逻辑程序计数器会被装入实际的物理程序计数器中，当该程序运行结束时，物理程序计数器被保存在该进程的逻辑程序计数器中。

Q4:进程和程序的区别

进程和程序间的区别很多人搞不清楚，洪爵在这里打一个比喻。现在有一个快乐餐厅，里面的厨师非常厉害，只要顾客提供食谱，他就能做出任何一道食谱上的菜，餐厅里的食材都是齐全的。

这个时候呢，有顾客进来了，拿着一个菜谱（程序，即按照某语法描述的代码），给了厨师（CPU），这个时候，厨师（CPU）开始按照菜谱（程序）的要求，开始准备材料（输入），按照菜谱（程序）的流程开始制作，最后把菜端上餐桌（输出）。那进程是什么呢，进程就是整个阅读菜谱、准备材料、按照菜谱做动作等一系列流程的综合。

我们继续例子，当厨师（CPU）正在按照菜谱做菜时，突然老板临时有更紧急的事情要找厨师，那么厨师只能在菜谱上打个记号，表示我当前进行到了这一步，然后就去找老板了，当处理完老板的事情后，厨师（CPU）接着回来做菜，因为之前在菜谱（程序）打了记号，所以厨师（CPU）很快就接着下个步骤继续进行了。

这里的思想是，一个进程是某种类型的一个活动，它有程序、输入、状态、输出。单个处理器可以被多个进程共享，它使用某种调度算法来决定何时停止一个进程的工作，转而为另一个进程提供服务。

这里值得注意的是，如果一个程序运行了2遍，那么是算作两个进程。

Q5:进程的创建

既然进程如此的重要，那么操作系统肯定有某种方式按需要去创建进程。

一共有4种主要事件导致进程的创建：

1、系统初始化

2、正在运行的程序执行了创建进程的系统调用。

3、用户请求创建一个新进程。

4、一个批处理作业的初始化。

启动操作系统时，通常会创建若干进程，这些都是系统运行所需要的，这个比较好理解；除了启动阶段创建进程之外，进程也是可以创建新的进程，一个正在运行的进程发出系统调用，以便创建一个或多个新进程进行协助；在桌面，我们经常能看到很多应用程序的图标，双击过后就会启动该程序，这些动作都是会产生一个新的进程；最后一种创建进程方式则仅在大型机的批处理系统中应用，用户在系统或远程进行批处理作业的提交，操作系统认为有资源可运行作业时，则会创建一个新的进程，这个做了解即可。

Q6:父子进程的关系

在UNIX系统，只有一个系统调用可以创建新进程：fork。这个系统调用会创建一个与调用进程相同的副本。在调用了fork之后，这两个进程（父子进程）拥有相同的内存映像、同样的环境字符串和同样打开的文件。

在UNIX和Windows系统中，进程创建后，父子进程各自有不同的地址空间（区别之前讲的内存映像，可以把映像理解为具体的某一块内存，而地址空间指的是指针）。如果某个进程在其地址空间中修改了一个字，这个修改对其他进程时不可见的。也就是说虽然子进程和父进程共享所有内存，但是一旦两者之一想要修改部分内存，则这块内存首先会被明确的复制，以确保修改发生在私有内存区域中，这种情况称为写时复制。