现代操作系统-进程

进程是操作系统最核心的的概念，它是对正在运行程序的一个抽象。

1、进程模型

在进程模型中，计算机上所有可运行的软件，包括操作系统，被组织成若干顺序进程，简称进程(process)。一个进程就是一个正在执行程序的实例，包括程序计数器、寄存器和变量的当前值。
一个进程是某种类型的一个活动，它有程序、输入、输出以及状态。当个处理器可以被若干进程共享，它使用某种调度算法决定何时停止一个进程的工作，并转而为另一个进程提供服务。

2、进程的创建

操作系统需要有一种方式来创建进程，其中，进程的创建因素：

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。

停留在后台处理之类活动的进程称为守护进程。

在UNIX系统中，只有一个系统调用可以用来创建新进程：fork。这个系统调用会创建一个与调用进程相同的副本。
在windows和UNIX系统中，进程创建之后，父进程和子进程有各自不同的地址空间。如果其中某个进程在其地址空间中修改一个字，这个修改对其他进程而言是不可见的。

3、进程的终止

进程在创建后，执行相应的工作后，会因为不同的方式终止，通常有以下因素：

1. 正常退出（自愿的）。
2. 出错退出（自愿的）。
3. 严重错误（非自愿）。
4. 被其他进程杀死（非自愿）。

在UNIX中调用exit来表示已经完成工作结束进程，而Windows中，则调用的是ExitProcess。

4、进程的层次结构

一个进程只有一个父进程，但是可以有零个、一个、两个或多个子进程。

在UNIX中，进程和它所有子进程以及后裔共同组成一个进程组。而在windows系统系统中没有进程层次概念，所有的进程都是地位相同的。

5、进程的状态以及实现

1. 状态

尽管每个进程有一个独立的实体，有其自己的程序计数器和内部状态，但是进程之间经常需要相互作用，一个进程的输出结果可能作为另一个进程的输入。
进程的三种状态：

1. 运行态（该时刻进程实际占用CPU）。
2. 就绪态（可运行，但因为其他进程正在运行而暂时停止）。
3. 阻塞态（除非某种外部事件发生，否则进程不能进行）。
   运行和就绪状态在逻辑上类似，处于这两种状态的进程都可以运行，只是对于就绪态，暂时没有CPU分配给它。而阻塞态的进程不能运行，即使CPU空闲也不行。
   
   一个进程可处于运行态、阻塞态和就绪态，各状态之间的转换如下：
4. 进程因为等待输入而被阻塞。
5. 调度程序选择另一个进程。
6. 调度程序选择这个进程。
7. 出现有效输入。

基于进程的操作系统中最底层的是中断和调度处理，在该层之上是顺序进程。

2. 实现

操作系系统维护进程表进行实现进程模型，每个进程占用一个进程表项。该表项包含了进程状态的重要信息（程序计数器、堆栈指针、内存分配状态、所打开文件的状态、账号和调度信息，以及其他在进程由运行到就绪态），保证该进程随后能再次启动，就像从未被中断过一样。
与每一I/O类关联的是一个称作中断向量的位置，它包含中断服务程序的入口地址。所有的中断都是从保存寄存器开始的，对于当前进程而言，通常是保存在进程表项中。随后会从堆栈中删除由中断硬件机制存入堆栈的那部分信息，并将堆栈指针指向由一个由进程处理程序所使用的临时堆栈。
一个进程在执行过程中可能被中断数千次，但关键是每次中断后，被中断的进程都返回到与中断发生前完全相同的状态。

6、多道程序设计模型

采用多道程序设计可以提高CPU利用率。严格地说，如果进程用于计算机的平均时间是进程在内存中停留时间的20%，且内存中同时有5个进程，则CPU将一直满负载运行。
更好的模型是从概率的角度来看CPU的利用率。CPU利用率是内存中进程数目的函数：CPU利用率=1-P^n；p表示一个进程等待I/O操作的时间与其停留在内存中时间的比。当内存中同时有n个进程时，则所有n个进程都在等待I/O(此时CPU空转)的概率的p的n次方。

以n为变量的函数表示了CPU的利用率，n称为多道程序设计的道数。