徹底理解進程

操作系統的"進程"很早就出現了，許多教科書上講述這個概念總是晦澀難懂。電腦技術發展太快了，簡單的概念經過無數次演化，也會變得複雜。我們追溯一下操作系統的發展歷史，就能理解進程解決了什麼問題、為什麼這樣設計。

1 操作系統的發展

1.2 手工操作階段

第一代電腦使用真空管構成集成電路實現計算，採用磁鼓或者磁芯作為儲存器，採用打孔卡片作為輸入輸出的介質，卡片上的孔洞位置代表機器指令或者數據。

程式員直接與硬體打交道，不需要操作系統。先將已穿孔的紙帶裝入輸入機，然後啟動輸入機把程式和數據輸入電腦記憶體，通過控制台開關啟動計算程式。計算完畢，印表機輸出計算結果。用戶取走結果並卸下紙帶後，才讓下一個用戶上機。這種手工操作方式有兩個弊端：1. 用戶獨占全機，資源利用率低；2. CPU等待手工操作，利用不充分。

1.2 聯機批處理系統

第二代電腦採用聯機批處理系統，主機與輸入機之間增加速度較快的磁帶機，在監督程式的自動控制下，電腦先將用戶作業讀入磁帶，再把磁帶上的作業讀入主機記憶體並輸出計算結果。完成上一批作業後，監督程式又從輸入機上輸入另一批作業，按上述步驟重覆處理。監督程式實現了作業到作業的自動轉接，減少了手工操作時間，提高了電腦的利用率，可以看作操作系統的雛形。

在等待作業輸入和結果輸出時，主機的CPU仍處於空閑狀態，系統利用率依然不高。

1.3 多道程式系統

第三代電腦採用晶體管邏輯元件及快速磁芯存儲器，電腦速度從每秒幾千次提高到幾十萬次，主存儲器的存貯量，從幾千提高到10萬以上。1958年，IBM公司製成了第一臺全部使用晶體管的電腦RCA501型。

此時的磁帶、硬碟等IO設備，完全跟不上高速CPU的腳步，CPU利用率非常低。人們引入了多道程式設計技術。把多個程式放入記憶體，並允許它們在CPU中交替運行，共用系統中的各種軟硬體資源。當一道程式因IO請求而暫停運行時，CPU便立即轉去運行另一道程式。多道程式設計技術使CPU得到充分利用，提高了整個系統的資源利用率和吞吐量。出現了作業調度管理、處理機管理、存儲器管理、外部設備管理、文件系統管理等功能，這標志著操作系統日趨成熟。

1.4 分時系統

第四代電腦允許多個用戶同時聯機使用電腦，分時系統應運而生，進一步提高系統整體利用率。

若一個用戶的作業在分配的時間片內不能完成計算，則暫時中斷該作業，把處理機讓給另一作業使用，等待下一輪再繼續其運行。電腦速度很快，作業運行輪轉得很快，給每個用戶獨占了一臺電腦的錯覺。用戶可以通過自己的終端向系統發出控制命令，在充分的人機交互情況下完成作業的運行。

1960年，麻省理工學院(MIT)開發了相容分時系統(Compatible Time Sharing System)，支持大型主機通過多個終端機來聯機進行運算，並將結果從主機傳輸到終端機。此時終端機只具有輸入輸出的功能，本身不具任何運算或軟體安裝的能力。

為了強化大型主機的功能，讓主機的資源讓更多人來利用。1965年，由貝爾實驗室（Bell）、麻省理工學院（MIT）及通用電器公司（GE）共同發起了MULTICS（多路信息計算系統）的計劃，目標是讓大型主機連接1000部終端機，支持300個用戶同時使用。MULTICS項目是所有現代操作系統的鼻祖，並且首次提出了“進程”的概念。

進程就是用戶獨占電腦錯覺的基礎，每個用戶的作業被包裝成一個或者多個進程。進程是獨立功能的程式的一次動態執行過程，也是系統資源分配的獨立實體。

2 低速的IO設備

1928年，德國工程師Fritz Pfleumer發明瞭存儲模擬信號的錄音磁帶。工作原理是將粉碎的磁性顆粒用膠水粘在紙條上，但是紙條比較脆弱，錄音磁帶無法實用化。

1932年，IBM公司的奧地利裔工程師Gustav Tauschek發明瞭磁鼓存儲器，長度為16英寸，有40個磁軌，每分鐘可旋轉12500轉，僅可以存儲10KB數據。在磁芯存儲器出現之前廣泛用於電腦記憶體，被認為是硬碟驅動器的前身。磁鼓的優點為實用可靠、經濟實惠，而缺點是存儲容量太小、利用率低。

1948年，美國哈佛大學實驗室的王安博士發明瞭磁芯存儲器，次年又實現了磁芯存儲器“讀後即寫”的技術。原理是在鐵氧體磁環里穿進一根導線，導線中流過不同方向的電流時，可使磁環按兩種不同方向磁化，代表“1”或“0”的信息便以磁場形式儲存下來。最初的磁芯存儲器只有幾百個位元組的容量。在20世紀70年代被廣泛用作電腦的主存儲器，直到Intel的半導體DRAM記憶體批量生產。

1952年，IBM公司發佈了電腦業內的第一款磁帶機，需要人工手動操作，比如裝載、卸載和歸檔。

1956年，IBM公司製造了世界上第一塊硬碟350RAMAC。碟片直徑為24英寸，碟片數為50片，重量則是上百公斤，相當於兩個冰箱的體積，儲存容量只有5MB。

從早期的磁鼓到固態硬碟，IO設備速度提升了萬倍，依然追不上CPU，根本原因是計算和存儲的目標不一樣。CPU的最重要指標是速度快；而存儲設備則要容量大，其次是速度快，最後是造價低廉，這三點不可兼得。就好比兩個運動員，一個練短跑，一個練長跑，對身體素質的要求不一樣。

3 進程詳解

我們以Linux系統為例，瞭解一下進程的基本構成。

3.1 進程的分類

• 交互進程：由一個shell啟動的進程，優先順序較高，交互進程既可以在前臺運行，也可以在後臺運行。
• 批處理進程：這種進程和終端沒有聯繫，是一個進程式列，負責按照順序啟動其它進程。
• 守護進程：在後臺運行且不受任何終端控制的特殊進程，用於執行特定的系統任務。它一般在Linux啟動時開始執行，系統關閉時才結束。

3.2 進程的組成

Linux內核把進程稱為task，task_struct結構體是操作系統的進程式控制制塊，包含著一個進程的所有信息。task_struct結構體非常複雜，感興趣的朋友可以查閱文件https://github.com/torvalds/linux/blob/master/include/linux/sched.h，以下列舉了比較重要的欄位：

• 1）進程的標識

pid_t pid：進程的唯一標識
pid_t tgid：線程組的領頭線程的pid成員的值

• 2）進程調度信息

need_resched：調度標誌
Nice：靜態優先順序
Counter：動態優先順序；重新調度進程時會在run_queue中選出Counter值最大的進程。也代表該進程的時間片，運行中不斷減少。
Policy：調度策略開始運行時被賦予的值。
rt_priority：實時優先順序

• 3）進程通信有關信息

unsigned long signal：進程接收到的信號。每位表示一種信號，共32種。
unsigned long blocked：進程所能接受信號的位掩碼。
Spinlock_t sigmask_lock：信號掩碼的自旋鎖
Long blocked：信號掩碼
Struct sem_undo *semundo：為避免死鎖而在信號量上設置的取消操作
Struct sem_queue *semsleeping：與信號量操作相關的等待隊列
struct signal_struct *sig：信號處理函數

• 4）上下文信息

struct desc_struct *ldt：進程關於CPU段式存儲管理的局部描述符表的指針
struct thread_struct tss：任務狀態段

• 5）時間信息

Start_time：進程創建時間
Per_cpu_utime：進程在執行時在用戶態上耗費的時間
Pre_cpu_stime：進程在執行時在系統態上耗費的時間
ITIMER_REAL：實時定時器，不論進程是否運行，都在實時更新
ITIMER_VIRTUAL：虛擬定時器，只有進程運行在用戶態時才會更新
ITIMER_PROF：概況定時器，進程在運行處於用戶態和系統態時更新

• 6）地址空間/虛擬記憶體信息

struct mm_struct * mm：記錄進程記憶體使用的信息

3.3 進程的記憶體分佈

為了更加高效地使用記憶體，Linux系統採用了虛擬記憶體的方案，將物理記憶體和磁碟都映射為虛擬記憶體地址，為進程提供統一的地址空間。虛擬記憶體有三個優點：1）將記憶體當作磁碟的緩存，在記憶體中只保留常用數據，必要時從記憶體和磁碟之間交換數據。2）簡化記憶體管理，為每個進程提供統一的地址空間。3）保護進程的記憶體空間不受其他進程影響。

每個進程都擁有獨立的地址空間。一個進程無法訪問另一個進程的變數和數據結構，如果想讓一個進程訪問另一個進程的資源，要使用進程間通信，比如管道、文件、套接字等。

進程的虛擬地址空間分為用戶虛擬地址空間和內核虛擬地址空間，所有進程共用內核虛擬地址空間，每個進程有獨立的用戶虛擬地址空間。以32位Linux系統為例，共有4G的定址能力。預設將高地址的1G空間分配給內核，稱為內核空間，剩下的3G空間分配給進程使用，稱為用戶空間。用戶空間從低地址到高地址空間包含5個部分：

• 代碼段（text segment）：存放程式的可執行二進位代碼。
• 數據段（data segment）：存放程式中已經初始化且初值不為0的全局變數和靜態局部變數，數據段屬於靜態記憶體分配。
• BSS段：存放未初始化的全局變數和靜態局部變數；初值為0的全局變數和靜態局部變數。
• 堆（heap）：用於存放程式運行時動態分配的記憶體段，可動態擴張或者縮減。
• 棧（stack）：由編譯器自動分配釋放，它存放函數內部聲明的非靜態局部變數，以及記錄函數調用過程的相關維護信息（稱為棧幀）。

3.4 進程的調度

每個CPU（或核心）在一個時間點上只能處理一個進程。操作系統調配CPU時間和其他資源，為進程分配一個狀態，進程的狀態隨著環境要求而改變。進程運行的整個生命周期劃分為六種狀態:

• Running：表示進程處在CPU的就緒隊列中，運行態或者就緒態的進程
• Disk Sleep：不可中斷狀態睡眠，一般表示進程正在跟硬體發送交互，並且交互過程中不允許被其他進程或中斷打斷
• Zombie：僵屍進程，表示進程實際上已經結束了，但是父進程還沒有回收它的資源（比如進程的描述符，PID等）
• Interruptible Sleep：可中斷狀態睡眠，表示進程因等待某個事件而被系統掛起（阻塞態）。當進程等待的事件發生時，就會被喚醒併進入Running狀態
• Idle：空閑狀態。用在不可中斷睡眠的內核線程上。硬體交互導致的不可中斷進程用D表示，但對某些內核線程來說，處在不可中斷睡眠時有可能實際上並沒有任何負載。
• Stopped OR Traced：表示進程處於暫停或者跟蹤狀態。向一個進程發送SIGSTOP信號，它就會因響應這個號變成暫停狀態(Stopped)；向它發送SIGCONT信號，進程又會恢復運行(如果進程是終端里直接啟動的,則需要用fg命令恢復到前臺運行)。當用調試器調試一個進程時，在使用斷點中斷進程後，進程就會變成跟蹤狀態，這其實也是一種特殊的暫停狀態，只不過可以用調試器來跟蹤並按需要控制進程的運行。
• EXIT：進程已經消亡

4 參考

https://www.linuxprobe.com/linux-system-programming.html
https://zhuanlan.zhihu.com/p/442909853
https://blog.csdn.net/qq_41209741/article/details/82870876