进程概述
2021 年 03 月 09 日 169 1418 字 暂无评论

01.程序和进程

  • 程序是包含一系列信息的文件,这些信息描述了如何在运行时创建一个进程:

    • 二进制格式标识:每个程序文件都包含用于描述可执行文件格式的元信息。内核利用此信息来解释文件中的其他信息。(ELF可执行连接格式)。
    • 机器语言指令:对程序算法进行编码。
    • 程序入口地址:标识程序开始执行时的起始指令位置。
    • 数据:程序文件包含的变量初始值和程序使用的字面量值(比如字符串)。
    • 符号表及重定义位表:描述程序中函数和变量的位置及名称。这些表格有多重用途,其中包括调试和运行时的符号解析(动态链接)。
    • 共享库和动态链接信息:程序文件所包含的一些字段,列出了程序运行时需要使用的共享库,以及加载共享库的动态连接器的路径名。
    • 其他信息:程序文件还包含许多其他信息,用以描述如何创建进程。
  • 进程是正在运行的程序的实例。是一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它是操作系统动态执行的基本单元,在传统的操作系统中,进程既是基本的分配单元,也是基本的执行单元。
  • 可以用一个程序来创建多个进程,进程是由内核定义的抽象实体,并为该实体分配用以执行程序的各项系统资源。从内核的角度看,进程由用户内存空间和一系列内核数据结构组成,其中用户内存空间包含了程序代码及代码所使用的变量,而内核数据结构则用于维护进程状态信息。记录在内核数据结构中的信息包括许多与进程相关的标识号(IDs)、虚拟内存表、打开文件的描述符表、信号传递及处理的有关信息、进程资源使用及限制、当前工作目录和大量的其他信息。

02.单道、多道程序设计

  • 单道程序,即在计算机内存中只允许一个的程序运行
  • 多道程序设计技术是在计算机内存中同时存放几道相互独立的程序,使它们在管理程序控制下,相互穿插运行,两个或两个以上程序在计算机系统中同处于开始到结束之间的状态, 这些程序共享计算机系统资源。引入多道程序设计技术的根本目的是为了提高 CPU 的利用率。
  • 对于一个单 CPU 系统来说,程序同时处于运行状态只是一种宏观上的概念,他们虽然都已经开始运行,但就微观而言,任意时刻,CPU 上运行的程序只有一个。
  • 在多道程序设计模型中,多个进程轮流使用CPU。而当下常见CPU为纳秒级,1秒可以执行大约10亿条指令。由于人眼的反应速度是毫秒级,所以看似同时在运行。

03.时间片

  • 时间片(timeslice)又称为“量子(quantum)”或“处理器片(processor slice)”是操作系统分配给每个正在运行的进程微观上的一段 CPU 时间。事实上,虽然一台计算机通常可能有多个 CPU,但是同一个 CPU 永远不可能真正地同时运行多个任务。在只考虑一个 CPU 的情况下,这些进程“看起来像”同时运行的,实则是轮番穿插地运行,由于时间片通常很短(在 Linux 上为 5ms-800ms),用户不会感觉到。
  • 时间片由操作系统内核的调度程序分配给每个进程。首先,内核会给每个进程分配相等的初始时间片,然后每个进程轮番地执行相应的时间,当所有进程都处于时间片耗尽的状态时,内核会重新为每个进程计算并分配时间片,如此往复。

04.并行和并发

  • 并行(parallel):指在同一时刻,有多条指令在多个处理器上同时执行。
  • 并发(concurrency):指在同一时刻只能有一条指令执行,但多个进程指令被快速的轮换执行,使得在宏观上具有多个进程同时执行的效果,但在微观上并不是同时执行的,只是把时间分成若干段,使多个进程快速交替的执行。

05.进程控制块(PCB)

  • 为了管理进程,内核必须对每个进程所做的事情进行清楚的描述。内核为每个进程分配一个PCB(Processing Control Block)进程控制块,维护进程相关的信息,Linux 内核的进程控制块是 task_struct 结构体。
  • /usr/src/linux-headers-xxx/include/linux/sched.h 文件中可以查看 struct task_struct 结构体定义。其内部成员有很多,我们只需要掌握以下部分即可:

    • 进程id:系统中每个进程有唯一的 id,用 pid_t 类型表示,其实就是一个非负整数
    • 进程的状态:有就绪、运行、挂起、停止等状态
    • 进程切换时需要保存和恢复的一些CPU寄存器
    • 描述虚拟地址空间的信息
    • 描述控制终端的信息
    • 当前工作目录(Current Working Directory)
    • umask 掩码
    • 文件描述符表,包含很多指向 file 结构体的指针
    • 和信号相关的信息
    • 用户 id 和组 id
    • 会话(Session)和进程组
    • 进程可以使用的资源上限(Resource Limit)

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