第4章 抽象：进程

操作系统的最基本抽象：进程。它很简单地被视为一个正在运行的程序。

操作系统通过虚拟化（virtualizing）CPU 来提供几乎有无数个 CPU 可用的假象。通过让一个进程只运行一个 时间片，然后切换到其他进程，操作系统提供了存在多个虚拟 CPU 的假象。这就是时分共享（time sharing）CPU 技术，允许用户如愿运行多个并发进程。

上下文切换（context switch），让操作系统能够停止运行一个程序，并开始在给定的 CPU 上运行另一个程序。所有现代操作系统都采用了这种分时机制。

抽象：进程

操作系统为正在运行的程序提供的抽象，就是所谓的进程（process）。

进程的机器状态（machine state）：程序在运行时可以读取或更新的内容。

进程的机器状态组成： 内存：指令存在内存中。正在运行的程序读取和写入的数据也在内存中寄存器：许多指令明确地读取或更新寄存器。它们对于执行该进程很重要。一些非常特殊的寄存器： 程序计数器（Program Counter，PC）（有时称为指令指针，Instruction Pointer 或 IP）：告诉我们程序当前正在执行哪个指令；栈指针（stack pointer）和相关的帧指针（frame pointer）：用于管理函数参数栈、局部变量和返回地址。

进程API

创建（create）：操作系统必须包含一些创建新进程的方法。在 shell 中键入命令或双击应用程序图标时，会调用操作系统来创建新进程，运行指定的程序。销毁（destroy）：由于存在创建进程的接口，因此系统还提供了一个强制销毁进程的接口。当然，很多进程会在运行完成后自行退出。但是，如果它们不退出，用户可能希望终止它们，因此停止失控进程的接口非常有用。等待（wait）：有时等待进程停止运行是有用的，因此经常提供某种等待接口。其他控制（miscellaneous control）：除了杀死或等待进程外，有时还可能有其他控制。 例如，大多数操作系统提供某种方法来暂停进程（停止运行一段时间），然后恢复（继续运行）。状态（statu）：通常也有一些接口可以获得有关进程的状态信息，例如运行了多长时间，或者处于什么状态。

进程创建：更多细节

程序如何转化为进程？具体来说，操作系统如何启动并运行一个程序？进程创建实际如何进行？

第一件事是将代码和所有静态数据（例如初始化变量）加载（load）到内存中，加载到进程的地址空间中。加载后，运行此进程前，操作系统必须 为程序的**运行时栈（run-time stack 或 stack）**分配一些内存；也可能 为程序的堆（heap）分配一些内存；C程序中，通过malloc()来申请操作系统还将执行一些其他初始化任务，特别是与输入/输出（I/O）相关的任务

小结：通过将代码和静态数据加载到内存中，通过创建和初始化栈以及执行与 I/O 设置相关的其他工作，OS 现在（终于）为程序执行搭好了舞台。然后它有最后一项任务：启动程序，在入口处运行，即 main()。通过跳转到main()例程（第 5 章讨论的专门机制），OS 将 CPU的控制权转移到新创建的进程中，从而程序开始执行。

进程状态

3种状态：

运行（running）：在运行状态下，进程正在处理器上运行。这意味着它正在执行指令。就绪（ready）：在就绪状态下，进程已准备好运行，但由于某种原因，操作系统选择不在此时运行。阻塞（blocked）：在阻塞状态下，一个进程执行了某种操作，直到发生其他事件时才会准备运行。 可以根据操作系统的载量，让进程在就绪状态和运行状态之间转换。

从就绪到运行意味着该进程已经被调度（scheduled）。

从运行转移到就绪意味着该进程已经取消调度（descheduled）。

一旦进程被阻塞（例如，通过发起 I/O 操作），OS 将保持进程的这种状态，直到发生某种事件（例如，I/O 完成）。此时，进程再次转入就绪状态（也可能立即再次运行，如果操作系统这样决定）。

系统必须决定在 Process0 发出 I/O 时运行 Process1。这样做可以通过保持 CPU 繁忙来提高资源利用率。

数据结构

操作系统是一个程序，和其他程序一样，它有一些关键的数据结构来跟踪各种相关的信息。

例如，为了跟踪每个进程的状态，操作系统可能会为所有就绪的进程保留某种进程列表（process list），以及跟踪当前正在运行的进程的一些附加信息。操作系统还必须以某种方式跟踪被阻塞的进程。当 I/O 事件完成时，操作系统应确保唤醒正确的进程，让它准备好再次运行。

除了运行、就绪和阻塞之外，还有其他一些进程可以处于的状态。有时候系统会有一个初始（initial）状态，表示进程在创建时处于的状态。另外，一个进程可以处于已退出但尚未清理的最终（final）状态（在基于 UNIX 的系统中，这称为僵尸状态）。

操作系统充满了我们将在这些讲义中讨论的各种重要数据结构（data structure）。进程列表（process list）是第一个这样的结构。有时候人们会将存储关于进程的信息的个体结构称为进程控制块（Process Control Block，PCB）。