进程相关概念

程序和进程

程序，是指编译好的二进制文件，在磁盘上，不占用系统资源（cpu、内存、打开的文件、设备、锁…）
进程，是一个抽象的概念，与操作系统原理联系紧密，进程是活跃的程序，占用系统资源。在内存中执行。（程序运行起来，产生一个进程）

并发

并发，在操作系统中，一个时间段中有多个进程都处于已启动运行到运行完毕之间的状态。但，在一个时刻点上仍只有一个进程在运行。

时钟中断即为多道程序设计模型的理论基础。并发时，任意进程在执行期间都不希望放弃cpu，因此系统需要一种强制让出cpu资源的手段。时钟中断有硬件基础作为保障，对进程而言不可抗拒。操作系统中的中断处理函数，来负责调度程序执行。

在多道程序设计模型中，多个进程轮流使用CPU（分时复用cpu资源），而当下常见cpu为纳秒级，1秒可以执行大约10亿条指令。

CPU和MMU

cpu

程序编译成二进制文件，中间经过预处理，编译，汇编，链接四个步骤。

首先，预取器从缓冲区cache中将指令取出来。然后，然后对取出来的指令进行译码，交由译码器。对于c = 1 + 3来讲，需要利用两个寄存器eax和ebx分别存放1和3，并将运算结果回写到eax里面。计算过程需要交由ALU算逻单元来进行计算。ALU算逻单元计算完成后将计算结果放在寄存器堆中。最后，再由寄存器中将结果写入到内存中。

MMU

MMU位于CPU内部，作为硬件存在。MMU

虚拟内存为4G，内存结构图如下：

其中，.text段存放代码，.data段存放数据，heap从下往上生长，由低地址向高地址生长。stack的生长方向从高向低。0-3G称为用户空间，3G-4G称为内核区。PCB称为进程控制块，这段空间称为虚拟内存空间。

具体一点，代码放在了.text中，变量放在了.data中，malloc出来的数据放在了heap当中。函数定义的变量和函数放在了stack当中了。最后，内核区当中运行着程序进入到内核中的程序。

虚拟内存是逻辑内存并不存在，仍旧在物理内存中。虚拟地址：可用的地址空间有4G。MMU的作用，1. 将虚拟地址对应到真正的物理地址中，完成虚拟内存与物理内存的映射。2. 设置修改内存访问级别。

最后，在详细描述整个流程，cpu有四种访问级别，用户空间为3级，内核空间为0级。最底层是header段，此段为受保护区域。然后，从下向上数，第一层是.text段，用来存放代码，为可读权限。第二层是data段，.rodata段仍旧是可读权限。然后是，.data和.bss可读写的权限，初始化为0，放在page页是4k。第三层是heap段，生产方向从低到高。中间是共享库。第四层，是stack段，生产方向由高到低。

如果代码占用2k，在物理内存中实际占用4k，这是因为MMU会按照页大小进行分配。也即分配了对应物理内存为4k的大小。

进程彼此相互独立，用户空间占用的内存地址彼此独立互不相同，但PCB共用同一个内核空间。

总结：
MMU的作用：

1. 完成物理内存和虚拟内存映射
2. 修改内存的访问级别

进程控制块PCB

每个进程在内核中都有一个进程控制块（PCB）来维护进程相关的信息，位于内核空间。Linux内核的进程控制块是task_struct结构体。

/usr/src/linux-headers-3.16.0-30/include/linux/shced.h文件中可以查看struct task_struct结构体定义，其主要成员包括：

1. 进程id，系统中每个进程都有唯一的id，在c语言中用pid_t类型表示，其实就是一个非负整数。
2. 进程的状态，有就绪，运行，挂起，停止等状态。
3. 进程切换时需要保存和恢复的一些cpu寄存器
4. 描述虚拟地址空间的信息
5. 描述控制终端的信息
6. 当前工作目录（Current Working Directory）
7. umask掩码（保存或修改文件权限）
8. 文件描述符表，包含很多指向file结构体的指针
9. 和信号相关的信息
10. 用户id和组id
11. 会话（Session）和进程组
12. 进程可以使用的资源上限（Resource Limit）

进程状态

进程基本的状态有5种，分别为初始态，就绪态，运行态，挂起态与终止态。其中，初始态为进程准备阶段，常常与就绪态结合来看。

挂起状态，等待状态实际为阻塞状态，可理解为暂停状态。