Processes¶

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Concept¶

在 Batch System 中，我们称运行的程序为 job；在 Time-Sharing System 中，我们称运行的程序为 task。在教科书中，上面的两个概念几乎与进程（Process）等价。

进程是一段 Program 在操作系统中的执行实体，每个进程都有自己独特的内存空间，包括用户部分和内核部分。

对于用户部分，text 和 data 部分所需要的空间在一开始就被确定，而 heap 和 stack 都可以动态的扩展和收缩：

Text section: 代码区
Data section: 数据区
Heap: 堆
Stack: 栈

我们使用 Process Control Block(PCB) 来保存一个进程的内核部分，这些控制信息包括：

Process State: 进程状态
Program Counter: 程序计数器
CPU Registers: 寄存器信息
CPU Scheduling Information: 调度信息
Memory-management Information: 内存管理信息
Accounting Information: 动态数据的统计与记录信息
I/O Status Information: I/O 状态信息

当 CPU 需要在不同进程之间切换时，它需要保存上一个进程的 PCB，并加载下一个进程的 PCB 信息：

一个进程的状态图如下：

new: 进程正在被创造
- 创建过程会分配初始资源，包括 PCB 等
running: 指令正在被执行
- 即正在使用 CPU 资源
- CPU 有几个 core，就最多有几个进程处于 running 状态
waiting: 进程正在等待某些事件，或正因为某些事件被阻塞
- waiting 状态下，即便有空余 CPU 资源，该进程也不会继续
ready: 进程正在等待被分配给处理器
- 一旦有空余 CPU 资源，就会进入 running 状态
terminated: 进程结束执行

Scheduling¶

为了进行进程的调度，OS 维护了三条相关的 Scheduling Queues：

Job queue: set of all processes in the system
Ready queue: set of all processes in main memory, ready and waiting to execute
Device queues: set of processes waiting for an I/O device
- 也被称为 wait queues，等待队列

进程在 ready 状态时需要等待 CPU 资源的派发；在 waiting 状态时需要等待对应 I/O 完成或事件完成。我们通常使用链表作为数据结构对 Ready Queue 和 Wait Queue 进行维护：

实际上，不同进程会因为不同的时间而等待，因此 Wait Queues 实际上存在很多条；在结束 Waiting 后，进程就会进入 Ready Queue，因此实际情况可能如下：

Scheduler 是一个决定哪个程序该执行的程序，它在多进程系统中非常关键，可以分为 Long-term Scheduler 和 Short-term Scheduler。

长期调度器 (Long-term scheduler / Job scheduler)
- 决定哪些作业/进程可以进入内存，放进就绪队列 (ready queue)。
- 长期调度器控制系统中同时有多少个进程在竞争 CPU，如果太多则会造成频繁的切换，导致效率下降；如果太少则 CPU 可能空闲，浪费资源
- 长期调度器通常会让 I/O-bound Process 和 CPU-bound Process 混合进入系统，防止 CPU 或 I/O 子系统长期空闲
短期调度器 (Short-term scheduler / CPU scheduler)
- 决定下一个由 CPU 执行的进程，负责从就绪队列中挑选
- 发生频率很高（毫秒级），需要效率极高。

有些系统还有 Medium Term Scheduler

Operations on Processes¶

Process Creation¶

当一个进程创建了另一个进程时：

创建者叫 父进程 (parent process)
被创建的叫 子进程 (child process)

子进程本身也可以再创建新的进程，于是整个系统里的进程就形成了一个 树状结构（process tree），例如：

我们使用 pid 来标识进程，使用 ppid 来标识它的父进程。

使用命令 pstree 可以查看进程树

当父进程创建子进程时，操作系统需要决定资源是否共享，常见有三种策略：

模式	说明
① 父与子共享所有资源	比如打开的文件、内存空间等都共享。
② 子只共享父进程资源的子集	例如，只继承打开的标准输入输出。
③ 父与子完全不共享资源	子进程有自己的独立资源，常用于隔离。

不同系统或创建方式（如 Linux 的 fork() 或 exec()）会采用不同策略。

例如进程管理 API fork() 会完整复制一份状态机，包括内存、寄存器等。在执行 fork() 时，父进程中会返回子进程的 pid，子进程中则返回 0。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>

int main() {
    printf("A process starts!\n");

    pid_t pid;
    pid = fork();

    if (pid < 0) {
        printf("Fork failed!\n");
    } else if (pid == 0) {
        // sleep(1);
        printf("pid is zero, so it's child process!\n");
    } else {
        // wait(NULL);
        // sleep(1);
        printf("pid is nonzero thus it's parent process!\n");
    }
}

上面的 C 代码中，父进程在 fork() 创建子进程后，两个进程将并发执行（Execute Concurrently），互不阻塞；如果将 Line 18 的注释取消，那么父进程将等到子进程返回信号 SIGCHILD 才会继续运行。

父子进程的终止关系

如果子进程结束时父进程已经终止，那么 UNIX 的托孤机制会将子进程的 ppid 设置为 1，即 init 进程；不过有些 OS 不允许子进程在父进程退出后仍然运行。

而 exec() 会将当前进程重置成一个可执行文件描述状态机的初始状态，新程序将会覆盖原有的内存空间。

一个典型的使用该 API 的流程如下，它先 fork 一个子进程，让子进程执行别的程序，而父进程只要等待子进程结束即可：

pid_t pid = fork();      // 创建一个子进程
if (pid == 0) {
    // 子进程执行这里
    execlp("/bin/ls", "ls", NULL);   // 用 ls 程序替换当前子进程
} else {
    // 父进程执行这里
    wait(NULL);              // 等待子进程结束
}

所谓的重置，其实只复位了用户可见的状态，OS 内部维护的进程号、目录、打开的文件等不变

Process Termination¶

当一个进程执行执行完后，它会调用 exit() 告知 OS 来清理资源，此时父进程可以通过 wait() 来获取返回值。

除此之外，父进程还可以使用 abort() 主动让子进程终止，常见原因有：

子进程 超出了分配的资源（比如用太多内存或时间）
子进程 任务不再需要（比如父进程发现它没必要继续）
或者 父进程自己要退出，于是顺带让子进程一并结束

实际上，通过 fork(), exec(), exit() 这三个 API 就足以实现大部分进程调用逻辑

Communication¶

Interprocess¶

Interprocess Communication（IPC） 是让不同进程之间能够交换信息、协同工作的机制，它有两个基本模型：

Message Passing（消息传递）模型
- 各进程不共享内存，而是通过发送(send) 和 接收(receive) 消息来通信。
- 这在分布式系统或安全隔离的环境中特别常见（例如两个独立的应用程序之间）。
- 常见例子：Socket 通信、管道（pipe）、消息队列、RPC。
Shared Memory（共享内存）模型
- 进程间通过共享一块内存区域来通信。
- 共享内存比消息传递快，因为不需要拷贝数据，但需要同步机制（如信号量）来防止数据冲突。

Client-Server Systems¶

Sockets
Remote Procedure Calls
Remote Method Invocation

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