进程控制

本篇博客简要说明以下几个问题：
进程切换，内核如何实现进程间切换？
进程创建，用户要创建新进程，如何创建呢？
进程加载，如何运行一个新进程？
进程等待与退出，父子进程的交互

进程切换：

进程切换实际上是上下文的切换。暂停当前运行的进程，从运行态变成其他状态；调度另一个进程从就绪态变成运行态。
进程切换的要求是 切换前保存进程上下文，切换后恢复进程上下文（上下文：主要指寄存器中的信息），快速切换
进程生命周期的信息有寄存器信息（PC,SP…），CPU状态，内存地址空间
那这些信息都保存在哪里呢？保存在PCB（进程控制块）里。内核为每个进程维护了对应的进程控制块（PCB）；内核将相同状态的进程PCB放置在同一队列
进程控制块怎么组织呢？如下图：

PCB里大致都放些啥东西呢？分为这么几类：
进程的标识信息（执行的哪个可执行文件，id是多少，父进程id等）
进程的状态信息（CPU状态寄存器里的信息，地址空间，页表起始地址，进程状态，是否允许调度等）
进程占用的资源（分配给它的内存（内存地址空间mm），内核堆栈信息等）
保护现场的信息（寄存器信息等上下文信息）
指针结构（本进程在哪个PCB队列当中）

进程创建：

fork/exec
fork()把一个进程复制成两个进程
exec()用新程序来重写当前进程

fork()创建一个继承的子进程，复制父进程的所有变量和内存，复制父进程的所有CPU和寄存器（有一些寄存器例外，为了区别进程id）
fork()一次调用两次返回，子进程中的fork()返回0，父进程的fork()返回子进程标识符，子进程可以使用getpid()获取PID。
exec()的执行会重新加载进程中的代码，把地址空间理的代码都换掉。堆栈也会被换掉。
fork()怎么实现呢？都干些什么呢？1.先分配个进程控制块PCB。2.创建内核堆栈。3.设置地址空间。4.修改子进程状态变为运行状态。
空闲进程。空闲进程是什么？当操作系统把用户的进程都执行完了，没任务了，这时候我们认为系统是暂停的，实际上CPU没停下来，CPU还在执行指令，这时候执行的就是空闲进程。
空闲进程的创建：分配资源，对进程控制块进行设置，完成初始化。优先级最低，没任务了来执行它。

fork()的开销：对子进程分配内存，复制父进程的内存和CPU寄存器到子进程里，开销非常大！
而且，一般情况下，我们在调用了fork()后接着就调用了exec()；那fork()里复制一大堆东西不是脱裤子放屁——多此一举吗，刚复制来，又给丢了。那是不是可以别进行复制，把复制的这个开销给省掉呢？答案是可以，用vfork()。
vfork()：创建进程时，不再创建一个同样的内存映像；可称之为轻量级fork()；子进程应该立即调用exec()；现在使用COW技术（Copy on Write）

进程加载：

进程加载指用户的程序通过调用exec()来完成一个可执行文件的加载，覆盖原来的当前进程的地址空间，然后开始执行。（把文件从外存中加载进来，然后跳转到上面执行）
加载后，代码段、堆栈、堆和数据等完全重写。

进程等待与退出：

父子进程之间的交互，完成子进程资源的回收。
wait()系统调用用于父进程等待子进程的结束。子进程结束时通过exit()向父进程返回一个值；父进程通过wait()接受并处理返回值。
wait()系统调用的功能：1.有子进程存活时，父进程进入等待状态，等待子进程的返回结果；当某子进程调用exit()时，唤醒父进程，将exit()返回值作为父进程中wait()的返回值。2.有僵尸子进程等待时，wait()立即返回一个值。3.没有子进程存活时，wait()立即返回。
exit()系统调用的功能：1.将调用参数作为进程的运行结果。2.关闭所有打开的文件等占用资源。3.释放内存。4.释放大部分进程相关的内核数据结构。5.检查父进程是否存活着（存活：保留结果的值直到父进程需要他，进入僵尸进程；不存活：释放所有的数据结构，进程结果）6.清理所有等待的僵尸进程。

优先级控制：
nice()指定进程的初始优先级，Unix系统中进程优先级会随执行时间而衰减。

进程调试：
ptrace()允许一个进程控制另一个进程的执行，设置断点和查看寄存器等

定时：sleep()可以让进程在定时器的等待队列中等待