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操作系统学习(二)--进程描述和执行

2019-09-26 37热度

这是操作系统系列第 2 篇。

如果你想知道操作系统每天都在做些什么,那就打开你的资源监视器:

file 资源监视器截图,Windows 10

单独通过这一张图,我们就能够总结出操作系统的几个重要功能:

  • 进程管理
  • 线程管理
  • 内存管理
  • I/O 管理(包含了磁盘调度)
  • 文件管理,这一功能在图里没有表现出来,但我相信每个使用计算机的人都知道它。

为什么我要从进程开始讲起呢?

原因很简单,我们每天使用计算机,包括手机和电脑,本质上是使用运行在其操作系统上的应用程序。对于我们来讲,操作系统最为直观的功能就是进程管理,所以,让我们从进程管理入手,由表及里,一步步深挖操作系统的本质。

进程是什么?

我在第一篇文章里简单提到了进程这一概念,这里再详细讲一下,加深理解。

操作系统的设计从根本上来说是为了迎合用户需求,对个人用户来说,需求就是在一台计算机上运行多个应用程序,以满足生活和工作的需要。但应用程序这么多,不可能让每一个程序占用一个 CPU 核心啊,因为 CPU 核心是有限的,人的需求是无限的。

所以操作系统就需要将无限(夸张一下)的应用程序,分配到有限的 CPU 上去。

当我们打开一堆程序时,这些程序就会被加载到内存上,为了让这些运行的程序与没有打开的程序作区分,我们创造了进程(Process)这个名词。所以,进程就是对运行的程序的一种抽象,具有动态性。进程管理其实就是操作系统通过某种方式,管理我们已经打开的程序。

注:为了简化后面的讨论,我们假设所说的计算机是单核的。

进程的状态有哪几种?

讲到进程,我们必然需要了解进程状态,想要了解进程的状态,我们就得从进程的角度,看一看进程的一生会发生什么。

首先,用户打开某个应用程序,这个程序就处于新建态(New),这个时候操作系统还没有为这个程序做好准备工作,这个进程自身还没有进入内存,可能还留在磁盘里。

等到这个进程被加载进内存,就代表它已经准备好运行了,但因为 CPU 资源正被别的进程占用,它只能等待操作系统为它分配 CPU。这个状态称为就绪态(Ready)。

在就绪态一段时间后,总会分配到 CPU 资源,一旦进程开始执行,它就进入了运行态(Running)。

有的进程可能会执行某些阻塞操作,就拿 I/O 操作来举例子,执行操作后,进程需要等待 I/O 操作完成,第一篇文章讲过,进程在这段时间内是无法使用 CPU 的,如果让它继续占用 CPU,就造成了资源浪费。所以操作系统会剥夺它的 CPU 使用权,并把它放在阻塞态。等到 I/O 操作结束后,再将其放入就绪态。

还有最后一种状态——退出态,顾名思义,进程终止后,就会进入退出态,这个进程可能还没有从内存中清理出去。等到进程完全退出内存,进程的一生就彻底结束了。

综合以上的讨论,我们得到了进程的 5 种状态: file

细心的读者可能会发现,运行态到阻塞态,以及阻塞态到就绪态之间的箭头是单向的。为什么?

先来看看运行态和阻塞态。回忆一下,一个进程处于阻塞态代表什么?(希望你看到这确实停下来思考了)

一个进程处于阻塞态,代表进程执行了某个阻塞操作,正在等待操作的结果。也就是说,处于阻塞态的进程没有使用 CPU 的能力,所以即使给了它 CPU 它也没办法运行,自然无法进入执行状态。所以从阻塞态是无法直接跳到运行态的。

再来说说就绪态和阻塞态。如果一个进程位于就绪态,说明它现在没有使用 CPU,所以更不可能执行阻塞操作。因此从就绪态也不能直接跳转到阻塞态。

结合刚刚的解释,我们来看看一个简单的进程的排队模型: file

图中的 ABCDEF 代表了进程

要注意的是,就绪态,运行态和阻塞态提供了一种描述进程行为的系统方法,指导了操作系统的实现,许多实际的操作系统都是按照这样的三种状态进行具体构造的。但这不代表就没有其他状态的立足之地了,在一些实现中(其实是主流实现,但由于牵扯到虚拟内存的概念,所以留到以后讲解),还有挂起态等状态。但不管哪种状态,他们都是为了操作系统能够最大化利用计算机资源而抽象出来的。

留几个小问题做思考:

  1. 为什么只有从运行态才能转换到退出态?
  2. 你能看懂上图排队模型吗?

PCB 是什么东西?

操作系统在管理和控制进程的时候,首先必须知道进程的位置(即进程被加载到哪一块内存了),其次,它还需要知道进程的属性,如进程 ID,进程状态等,所以我们就得有一个结构能够保存这些信息。

进程控制块(Process Control Block)就是这么一个结构。进程控制块会在程序启动时就被创建出来。 file

进程控制块的主要内容及内存映像(字丑勿怪)

我们可以看到,PCB 中存储着进程 ID,寄存器状态,栈指针等重要信息,这些信息现在看来非常陌生,但以后随着你对操作系统理解的加深,你就会理解这些信息的含义和作用。

图中还有一个信息,那就是 PCB 存储在内核空间——表明只有操作系统有权利更改 PCB 里面的内容。因为 PCB 太重要了,如果其内部信息被恶意修改,将造成进程意外终止,甚至可能导致操作系统的崩溃。

总结

让我们来串一下今天的内容:

如果一个程序开始运行,那么操作系统就会为其创建一个进程控制块,并将其加载到内存中,进程控制块内的「进程状态」信息会更改为就绪态,并将进程放入就绪队列等待分配 CPU。一旦分得 CPU,进程就进入运行态,根据实际情况,还可能因为执行阻塞操作而进入阻塞态,等到程序运行完毕,进程就被操作系统清出内存,然后删除其进程控制块。

如果看完上一段,对黑体字的概念还很模糊,那我建议你再慢慢看一遍文章,而且一定要带上自己的思考,没有经过思考的阅读的效率是很低的。

希望你在看完文章之后有所收获。感谢你的阅读,我们后会有期!

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