进程与线程——进程

2.1 进程

在多道程序系统中，CPU要在程序间进行切换，每个程序运行数十或者数百秒，严格的说，在任一瞬间，CPU都只能运行一个程序，而在1秒的时间内，可能运行几个程序，这样就给用户一种并行的错觉。

人们称之为伪并行（pseudo-parallelism），以区分多处理器（multi-processor）（即有两个或多个CPU共享同一个物理内存）系统真正的硬件并行。

2.1.1 进程的特点

1. 程序顺序执行的特点：

   • 顺序性

     程序顺序执行时，其执行过程可看作一系列严格按程序规定的状态转移过程，也即是每执行一条指令，系统将从上一个执行状态转移到下一个执行状态，且上一条指令的执行结束是下一条指令执行开始的充分必要条件。

   • 封闭性

     程序执行得到的最终结果由给定的初始条件决定，不受外界因素的影响。

   • 可再现性

     顺序执行的最终结果可再现是说它与执行速度无关。只要输入的初始条件相同，则无论何时重复执行该程序都会得到相同的结果。

2. 程序并发执行的特点

   • 间断（异步）性

     程序并发执行时，由于它们共享系统资源，以及为完成同一项任务而相互合作，致使在这些并发执行的程序之间形成了互相制约的关系：并发程序具有“执行—暂停—执行”的间断性的活动规律。

   • 失去封闭性

     当系统中存在着多个可以并发执行的程序时，系统中的各种资源将为他们共享，而这些资源的状态也由这些程序来改变，致使其中任一程序在运行时，其他环境都必然受到其他程序的影响。

   • 失去可再现性

     两个循环程序A和B，它们共享一个变量N。

     程序A每执行一次时，都要做N=N+1操作；

     程序B每执行一次时，都要做执行Print(N)操作，之后执行N=0操作；

     A、B以不同的速度运行，则可能出现下述3种情况（假设某时刻变量N的值为n）

     n+1,n+1,0

     n,n+1,0

     n,0,n+1

2.1.2 进程模型

在该模型中，计算机中所有可运行软件，有时也包括操作系统，被组织为若干顺序进程（sequential process），简称为进程（process）。

进程的概念

进程就是一个正在执行的程序，包括程序计数器、寄存器和变量的当前值

从概念上说，每个进程都有其自己的虚拟CPU，其关键思想是：进程是某种类型的活动。它有程序、输入、输出和状态。而多道程序（multiprogramming）就是在几个进程之间快速的来回切换。

(a) 4程序的多道程序

(b) 4个独立连续的进程的概念模型

(c) 任何实例中都只有一个程序是激活的

由于CPU在进程间来回切换，进程执行其计算速率并不一致，甚至同一个进程再次运行的时候其速率也会不同。因此，进程的编写不能包含固定记时的假设。

当进程有此类严格的实时需求时，也就是特定事件按必须在指定的毫秒内发生，那么必须采用特殊的措施来确保其发生。

不过，通常大部分进程并不受基本的CPU多道程序或者不同进程的相对速度的影响。

进程模型的关键

• 进程是某种类型的活动。它有程序、输入、输出和状态。

• 单处理器可以被几个进程所共享，使用某些调度算法来确定什么时候停止一个进程的工作，并且给另一个进程服务。

2.1.3 进程创建

导致进程创建的四个主要事件

1. 系统初始化
2. 执行由运行进程调用的进程创建系统调用
3. 用户请求创建新的进程
4. 批处理作业的启动

系统初始化

操作系统引导后，一般会创建几个进程。

• 前台进程（其中一些）：与用户交互并且为他们完成工作的进程

• 后台进程（其他）：它们不与实际用户交往，但是有某些特殊的功能

保持在后台处理诸如email、网页、新闻、打印等作业的进程称为端口监控程序（daemons）

系统调用

1. 正在运行的程序发出系统调用
   • Linux：fork
     • fork可以从当前复制所有进程信息都另一个进程，然后两个进程可以执行不同的代码。
   • Windows：CreateProcess
     • 看来用法是 指定一个exe的路径，然后指定参数，来运行这个exe。
2. 交互式系统中启动一个程序

2.1.4 进程终止

进程终止的条件：

• 正常退出（自愿的）：如用户点击交互式页面的叉号，或程序执行完毕调用发起系统调用正常退出，在linux中用exit，在windows中用ExitProcess
• 错误推出（自愿的）：python a.py中a.py不存在
• 致命错误（非自愿的）：执行非法指令，如引用不存在的内存，1/0等，可以捕捉异常，try...except...
• 被其他进程取消（非自愿的）：如kill -9
  • 我们经常会用到kill命令去杀死一个进程，但是有时会出现kill不成功的现象，这是就要用到kill -9

2.1.5 进程层次

在某些系统中，当一个进程创建另一个进程时，父进程和子进程继续以某种方式关联。子进程自己也可以创建更多的进程，以形成进程层次。

在UNIX中，进程以及所有孩子，和更新的后裔一起形成了进程组

Windows没有进程层次的概念。所有进程都是平等的。唯一有点像就能成层次的就是，当一个进程创建后，其父进程赋予一个特殊的标记，称为句柄（handle），句柄可用于控制子进程。

2.1.6 进程状态

当一个进程被中断时，是因为从逻辑上它无法继续，典型的就是由于它等待输入

同样，也有可能出现这种现象，就是某个进程从概念上说已经就绪，而且也能够运行，但是因为操作系统决定把CPU分配给其他进程而被停止。

这两个条件是完全不同的。第一种情况，挂起是该问题的固有特性。而第二种情形，是系统的技术性问题。

转换1：阻塞

转换4：唤醒

转换2和3：调度

2.1.7 进程的实现

为了实现进程模型，操作系统保存着一张进程表（process table），每个进程有一项，通常称作进程控制块（Process Control Block，PCB）。包含了进程的状态、其程序计数器、堆栈指针、内存分配、打开文件的状态、账目和调度信息以及所有其他与进程有关的、必须保存的东西。

这样，当进程从运行态切换到就绪态或者阻塞态之后，稍后可以重启，就像从来没有停止过一样。

2.1.8 多道程序建模

采用多道程序设计，可以提高CPU的利用率。

更高的模型是从概率角度来看CPU的使用。假设某个进程等待I/O完成的事件占其运行时间的比例为p，当内存中有n进程时，则所有n个进程都等待I/O（此时CPU空闲）的概率为\(p^n\)。

则CPU的利用率为：

\[CPU利用率=1-p^n \]

n称为多道程序道度（degree of multi-programming）。