前言

本文主要講的是操作系統(tǒng)的一些核心概念, 主要講解進(jìn)程管理和進(jìn)程調(diào)度的問(wèn)題, 當(dāng)然學(xué)習(xí)完本篇并不會(huì)讓你能從零打造一個(gè)操作系統(tǒng), 而只是讓讀者有了對(duì)操作系統(tǒng)核心概念的基本認(rèn)識(shí).

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1. 什么是操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是一組做計(jì)算機(jī)資源管理的軟件的統(tǒng)稱, 其本質(zhì)上也是一個(gè)軟件, 目前常見(jiàn)的操作系統(tǒng)有: Windows系列, Unix系列, Linux系列, OSX系列, Android系列, iOS系列, 鴻蒙等等.

2. 操作系統(tǒng)的定位

操作系統(tǒng), 對(duì)下要管理好各種硬件設(shè)備, 對(duì)上要給各個(gè)軟件提供穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境.

比如某個(gè)軟件程序, 想要操作某個(gè)硬件設(shè)備, 此時(shí)就需要通過(guò)操作系統(tǒng)來(lái)完成.

操作系統(tǒng)有兩個(gè)基本功能:

• 防止硬件被時(shí)空的應(yīng)用程序?yàn)E用.
• 向應(yīng)用程序提供簡(jiǎn)單一致的機(jī)制來(lái)控制復(fù)雜而又通常大相徑庭的低級(jí)硬件設(shè)備.

操作系統(tǒng)本身是一個(gè)很大的話題, 是一個(gè)十分復(fù)雜的軟件, 其功能是非常多的, 其中有一個(gè)對(duì)于我們來(lái)講十分重要的功能模塊, 那就是進(jìn)程管理.

3. 進(jìn)程管理

3.1 什么是進(jìn)程/任務(wù) (Process/Task)

每個(gè)應(yīng)用程序運(yùn)行于現(xiàn)代操作系統(tǒng)之上時(shí), 操作系統(tǒng)會(huì)提供一種抽象, 好像系統(tǒng)上只有這個(gè)程序在運(yùn)行, 所有的硬件資源都被這個(gè)程序在使用. 這種假象是通過(guò)抽象了一個(gè)進(jìn)程的概念來(lái)完成的, 進(jìn)程可以說(shuō)是計(jì)算機(jī)科學(xué)中最重要和最成功的概念之一.

進(jìn)程是操作系統(tǒng)對(duì)一個(gè)正在運(yùn)行的程序的一種抽象, 換言之, 可以把進(jìn)程看做程序的一次運(yùn)行過(guò)程. 同時(shí), 在操作系統(tǒng)內(nèi)部, 進(jìn)程又是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配的基本單位.

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō), 一個(gè)運(yùn)行起來(lái)的程序, 就是進(jìn)程.

.exe的是一種可執(zhí)行文件(程序), 當(dāng)雙擊這個(gè)文件, 程序就會(huì)跑起來(lái), 我們就會(huì)打開QQ, 從而就在操作系統(tǒng)中形成了一個(gè)進(jìn)程.

我們也可以打開任務(wù)管理器Ctrl + Alt + Delete來(lái)查看系統(tǒng)中都在進(jìn)行哪些進(jìn)程.

可以看到, 系統(tǒng)中有這么多進(jìn)程都在同時(shí)運(yùn)行. 就是由于進(jìn)程多了, 所以操作系統(tǒng)才需要去管理進(jìn)程, 否則這么多進(jìn)程, 會(huì)導(dǎo)致操作系統(tǒng)卡死的.

3.2 進(jìn)程管理怎么做的

所謂的管理, 其實(shí)就是分兩步:

1. 描述一個(gè)進(jìn)程: 使用結(jié)構(gòu)體或者對(duì)象, 把一個(gè)進(jìn)程有哪些信息都表示出來(lái).
2. 組織這些進(jìn)程: 使用一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu), 把這些結(jié)構(gòu)體或?qū)ο蠖挤诺揭黄?

在Java中就是對(duì)象的概念, 在C++中就是結(jié)構(gòu)體的概念

3.3 進(jìn)程控制塊抽象PCB (Process Control Block)

計(jì)算機(jī)內(nèi)部要管理任何現(xiàn)實(shí)事物, 需要將其抽象成一組有關(guān)聯(lián)的, 互為一體的數(shù)據(jù). 在 Java 語(yǔ)言中, 我們可以通過(guò)類/對(duì)象來(lái)描述這一特征. 而在操作系統(tǒng)中是用PCB來(lái)描述的.
注: 操作系統(tǒng)往往使用 雙向鏈表 這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)組織 PCB.

// 以下代碼是 Java 代碼的偽碼形式，重在說(shuō)明，無(wú)法直接運(yùn)行
class PCB {
	// 進(jìn)程的唯一標(biāo)識(shí) —— pid
    // 內(nèi)存指針
    // 文件描述符表
    // 進(jìn)度調(diào)度屬性
}

PCB的核心屬性:

1. pid
   每個(gè)進(jìn)程需要有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符, 有點(diǎn)類似于數(shù)據(jù)庫(kù)中的主鍵.
2. 內(nèi)存指針
   描述當(dāng)前這個(gè)進(jìn)程使用的是哪一部分內(nèi)存.
   進(jìn)程要跑起來(lái), 就需要消耗一定的硬件資源, 比如內(nèi)存. 而內(nèi)存指針就是用來(lái)描述進(jìn)程運(yùn)行的時(shí)候, 使用了哪些內(nèi)存上的資源.
3. 文件描述符表
   硬盤上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù), 往往是以文件為單位來(lái)進(jìn)行整理的.
   進(jìn)程每打開一個(gè)文件, 就會(huì)產(chǎn)生一個(gè) “文件描述符” (用來(lái)標(biāo)識(shí)這個(gè)被打開文件), 一個(gè)進(jìn)程可能打開很多文件, 對(duì)應(yīng)了一組文件描述符. 把這些文件描述符放到一個(gè)順序表這樣的結(jié)構(gòu)里, 就構(gòu)成了文件描述符表.
4. 進(jìn)程調(diào)度屬性
   在講進(jìn)程調(diào)度屬性前, 我們先引入一個(gè) CPU 的概念, 計(jì)算機(jī)中的程序能運(yùn)行, 全得依靠 CPU, 每個(gè)程序相當(dāng)于一組 “二進(jìn)制指令” 的集合, 在CPU 中有一個(gè)概念, 核心數(shù).
   
   這個(gè)截圖是我計(jì)算機(jī)的核心數(shù), 8核16線程表示, CPU 中有8個(gè)核心, 但是每個(gè)核心一個(gè)頂兩, 8個(gè)人就可以干16個(gè)人的活, 即8個(gè)物理核心, 16個(gè)邏輯核心.
   而我們計(jì)算機(jī)中通常會(huì)有很多進(jìn)程需要同時(shí)處理.
   
   那么計(jì)算機(jī)是如何用少數(shù)人來(lái)完成多數(shù)人的工作的呢? 下面我再介紹一下并行和并發(fā)的概念.
   并行: 同一時(shí)刻, 兩個(gè)核心, 同時(shí)執(zhí)行兩個(gè)進(jìn)程, 此時(shí)這兩進(jìn)程就是并行執(zhí)行的.
   并發(fā): 一個(gè)核心, 先執(zhí)行進(jìn)程1, 執(zhí)行一會(huì)兒后, 再去執(zhí)行進(jìn)程2, 再執(zhí)行一會(huì)兒后, 又去執(zhí)行進(jìn)程3… 此時(shí)只要這里的切換速度足夠的快, 進(jìn)程123看起來(lái)就像是 “同時(shí)” 執(zhí)行的一樣.
   此時(shí), 雖然我的計(jì)算機(jī)只有16個(gè)核心, 也可以同時(shí)執(zhí)行這137個(gè)進(jìn)程了, 就是通過(guò) 并行 和 并發(fā) 的方式來(lái)完成的.
   接下來(lái)這一組屬性, 都是用來(lái)描述和 CPU 資源相關(guān)的屬性, 這些屬性來(lái)輔助進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度.

3.3.1 進(jìn)程調(diào)度屬性

1. 進(jìn)程的狀態(tài)
   簡(jiǎn)單認(rèn)為, 進(jìn)程主要有兩種狀態(tài):
   • 就緒態(tài): 表示該進(jìn)程已經(jīng)準(zhǔn)備好, 隨時(shí)可以上 CPU 執(zhí)行.
   • 阻塞態(tài): 表示該進(jìn)程還未準(zhǔn)備好, 暫時(shí)無(wú)法上 CPU 執(zhí)行.
2. 進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)
   進(jìn)程之間的調(diào)度不是完全公平的, 有的進(jìn)程要優(yōu)先調(diào)度.
3. 進(jìn)程的上下文
   上下文, 就是描述當(dāng)前進(jìn)程執(zhí)行到哪里, 當(dāng)進(jìn)程離開 CPU 時(shí), 就要把當(dāng)前運(yùn)行的中間結(jié)果 “存檔記錄”, 等到下次進(jìn)程回來(lái) CPU 上的時(shí)候, 再恢復(fù)之前的 “存檔”, 也就是進(jìn)行 “讀檔”, 從上次的結(jié)果繼續(xù)往后執(zhí)行.
   如果進(jìn)程結(jié)束了, 就不必進(jìn)行存檔, 如果是暫時(shí)離開, 就得存.
   而讀檔存檔在進(jìn)程中, 是靠 CPU 內(nèi)部的一系列寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)的. 寄存器有很多種, 其中最典型的作用, 就是保存當(dāng)前進(jìn)程執(zhí)行的中間結(jié)果, 包括進(jìn)程運(yùn)行到哪一條指令.
   • 存檔: 進(jìn)程離開 CPU, 就需要把這些寄存器的值, 保存到 PCB 的上下文字段中.
   • 讀檔: 進(jìn)程回來(lái) CPU, 再把 PCB 中的值給恢復(fù)到寄存器中.
4. 進(jìn)程的記賬信息
   用來(lái)統(tǒng)計(jì)每個(gè)進(jìn)程, 在 CPU 上執(zhí)行了多久, 可以作為進(jìn)程調(diào)度的參考依據(jù).

4. 內(nèi)存分配 ---- 內(nèi)存管理 (Memory Manage)

我們?cè)倭私庖幌聝?nèi)存管理的概念: 操作系統(tǒng)對(duì)內(nèi)存資源的分配, 采用的是空間模式 ---- 不同進(jìn)程使用內(nèi)存的不同區(qū)域, 互相之間不會(huì)干擾.

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō), 就是操作系統(tǒng)給進(jìn)程分配的內(nèi)存, 是以 “虛擬地址空間” 的方式來(lái)進(jìn)行分配的, 每個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)的內(nèi)存地址, 都不是真實(shí)的物理內(nèi)存地址.

站在左邊這兩進(jìn)程的角度看, 他們代碼中操作的內(nèi)存地址, 都是 0x00 - 0xff 這一段, 但是這里訪問(wèn)的內(nèi)存就會(huì)被操作系統(tǒng)自動(dòng)映射到真實(shí)的物理內(nèi)存上, 但是進(jìn)程本身感知不到實(shí)際的物理地址是啥.

5. 進(jìn)程間通信 (Inter Process Communication)

如上所述, 進(jìn)程是操作系統(tǒng)進(jìn)行資源分配的最小單位, 這意味著各個(gè)進(jìn)程互相之間是無(wú)法感受到對(duì)方存在的, 這就是操作系統(tǒng)抽象出進(jìn)程這一概念的初衷, 這樣便帶來(lái)了進(jìn)程之間互相具備 “隔離性(Isolation)”.

但現(xiàn)代的應(yīng)用, 要完成一個(gè)復(fù)雜的業(yè)務(wù)需求, 往往無(wú)法通過(guò)一個(gè)進(jìn)程獨(dú)立完成, 總是需要進(jìn)程和進(jìn)程進(jìn)行配合地達(dá)到應(yīng)用的目的, 如此, 進(jìn)程之間就需要有進(jìn)行“信息交換“的需求. 而進(jìn)程間通信的需求就應(yīng)運(yùn)而生.

目前, 主流操作系統(tǒng)提供的進(jìn)程通信機(jī)制有如下:

1. 管道
2. 共享內(nèi)存
3. 文件
4. 網(wǎng)絡(luò)
5. 信號(hào)量
6. 信號(hào)

其中, 網(wǎng)絡(luò)是一種相對(duì)特殊的 IPC 機(jī)制, 它除了支持同主機(jī)兩個(gè)進(jìn)程間通信, 還支持同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部非同一主機(jī)上的進(jìn)程間進(jìn)行通信.

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō), 所謂進(jìn)程間通信, 就是在隔離性的前提下, 找一個(gè)公共的區(qū)域, 讓兩個(gè)進(jìn)程借助這個(gè)區(qū)域來(lái)完成數(shù)據(jù)交換.

總結(jié)

? 感謝你們的耐心閱讀, 博主本人也是一名學(xué)生, 也還有需要很多學(xué)習(xí)的東西. 寫這篇文章是以本人所學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ), 日后也會(huì)不斷更新自己的學(xué)習(xí)記錄, 我們一起努力進(jìn)步, 變得優(yōu)秀, 小小菜鳥, 也能有大大夢(mèng)想, 關(guān)注我, 一起學(xué)習(xí)。

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