《操作系统导论》之虚拟化CPU学习笔记：进程

今天我们开始学习《操作系统导论》的第一个主题：虚拟化CPU。

虚拟化CPU的目的是为了将少量物理CPU，让用户看起来像是有无数多个CPU可用，以便能让多个进程可以同时运行。

操作系统要实现虚拟化CPU，要从三个方面要实现：抽象出“进程”的概念、底层（硬件）机制支持以及高层策略（OS对进程的调度算法）。

进程是底层机制和高层策略实现的基础。所以，我们先来了解下进程相关的知识。

进程基础.png

什么是进程

操作系统中，将运行中的应用程序叫做进程。

我们在电脑桌面上或手机桌面上看到的应用列表，就是应用程序。应用程序被存储在磁盘上。如下：

将应用程序运行起来就叫做进程。比如，我们在macbook的活动监视器中看到的列表，就是正在运行中的应用程序，也就是对应应用程序的进程。通过这个列表，我们就可以看到每个进程使用的内存和CPU的占用量。如下：

操作系统为什么要抽象出“进程”这么一个概念呢？因为操作系统在分配系统资源时是以进程为基本单位的，每个分配到的系统资源（比如内存、CPU）都是独立的，进程与进程间的资源是不能共享的；同时进程和进程之间也就具有了隔离性。

操作系统在调度时的基本单位也是进程。所以，进程是操作系统中调度策略实现的基础。

启动一个进程需要的硬件资源

因为计算机的硬件就是要用来运行软件的。所以操作系统要创建一个进程，就必须要给该进程分配一定的硬件资源。一般一个进程所需要的硬件资源至少有内存、寄存器和持久设备。

如何创建一个进程

我们看下操作系统是如何将一个应用程序转换成进程的。

• 首先，用户触发应用程序，双击图标或在shell里启动一个程序。
• 其次，操作系统将应用程序的代码和静态数据从磁盘加载到内存中。
• 然后，操作系统为程序的运行分配栈内存、堆内存。
• 接着，操作系统还需要执行一些和I/O相关的任务。比如在unix系统中每个进程都有3个打开的文件描述符，用于标准输入、输出和错误。
• 最后，执行应用程序的入口函数，一般为main函数。从而开始执行应用程序。

image.png

进程相关的API

用户或应用程序如何告知操作系统来创建进程以及管理进程呢？那就是通过操作系统提供的和进程相关的一组API，即相关的函数接口。

操作系统一般会提供如下相关API：

• 创建进程的API（create）：比如双击应用程序的图标时，就会调用操作系统来创建并运行进程。
• • 销毁进程的API（destroy）：和创建进程相对应，有时候会强制终止进程的运行，并释放进程所拥有的资源。
• 等待其他进程的API（wait）：比如父进程要等待子进程完成。
• 获取进程状态的API（status）：例如获取进程已运行的时长或处于什么状态等。
• 其他一些控制进程的API：比如杀死进程、暂停进程以及恢复进程等。

进程的状态

进程在给定的时间内可能处于不同的状态。一般有3个主要的状态：

• 运行：该状态下，进程正在处理器上运行
• 就绪：该状态下，说明进程已准备好运行，但还没有运行。
• 阻塞：该状态下，说明进程执行了某种操作一直在等待，直到发生其他事件才准备运行。比如向磁盘发出了I/O操作，进程被阻塞。这时其他进程就可以使用CPU了。

3个状态的转换关系如下：

image.png

数据结构

大家可能都听说过数据结构+逻辑=软件。数据结构是用来存储各种信息的，逻辑就是告诉CPU如何执行的指令。操作系统也不例外，也需要用数据结构来存储进程相关的信息。比如每个进程所需的各种寄存器的信息、状态信息以及不同状态的进程列表结构等。

总结

操作系统抽象出了“进程”的概念，这就为后续操作系统做进程调度提供了基础。

下一篇，我们继续学习虚拟化CPU的底层机制。

特别说明：你的关注，是我写下去的最大动力。点击下方公众号卡片，直接关注。关注送《100个go常见的错误》pdf文档、经典go学习资料。