操作系统概念拾遗（二）

不为考试，重读操作系统概念——Operating System Concepts

现代计算机系统允许将多个程序调入内存并发执行。这一发展要求对各种程序提供更严格的控制和更好的划分。这些需求产生了进程（process）的概念，即执行中的程序。进程是现代分时系统的工作单元。操作系统越复杂，就越能为用户做更多的事，虽然操作系统的主要关注点是执行用户程序，但是也需要顾及各种系统任务（放在内核之外会更好）。因此，系统有一组进程组成：操作系统进程执行系统代码，用户进程执行用户代码。通过CPU多路复用，所有这些进程可以并发执行，通过在晋城之间切换CPU，操作系统能是计算机更为高效。

进程是执行中的程序，是一种给正式的说法。进程不只是程序代码，程序代码有时称为文本段（text section）。进程还包括当前活动，通过程序计数器（program counter）的值和处理器寄存器的内容来表示。另外，进程通常还包括进程栈（stack）（包括临时数据，如函数参数、返回地址和局部变量）和数据段（data section）（包括全局变量）。进程还可能包括堆（heap），是在进程运行期间动态分配的内存。虽然两个进程可以是与同一程序相关，但是他们被当做两个独立的执行序列。例如多个用户可运行电子邮件的不同副本，或者同一用户能调用Web浏览器程序的多个副本，这些都是独立的进程，虽然文本段相同，当时数据段、堆、栈段不同。

进程控制块，每个进程在操作系统内用进程控制块（process control block，PCB）来表示。它包含许多与一个特定进程相关的信息：进程状态（process state），状态可包括新建、就绪、运行、等待、终止等；程序计数器（program counter），计数器表示进程要执行的下一条指令的地址；CPU寄存器（CPU register），根据计算机体系结构的不同，寄存器的数量和类型也不同，他们包括累加器、索引寄存器、堆栈指针、通用寄存器和其信息寄存器。与程序计数器一起，这些状态信息再出现中断时也需要保存，一边进城以后能正确地继续执行；CPU调度信息（CPU scheduling information），这类信息包括进程优先级、调度队列的指针和其他调度参数；内存管理信息（memory management information），根据操作系统所使用的内存系统，这类信息包括基址和界限寄存器的值、页表或段表；记账信息（accounting information），这类信息包括CPU事件、实际使用时间、时间界限、记账数据、作业或进程数量等；IO状态信息（IO status information），这类信息包括分配给进程的IO设备列表、打开文件的列表等。

上下文切换，当发生一个中断时，系统需要保存当前运行在CPU中进程的上下文（context）,以便在其处理完后能恢复上下文，即先中断进程，之后再继续。进程的上下文有进程的PCB来表示，它包括CPU寄存器的值、进程状态和内存管理信息等。通常，通过执行一个状态保存（state save）来保存CPU的当前状态（不管室内和模式还是用户模式），之后执行一个状态回复（state restore）重新开始运行。上下文切换时间是额外开销，上下文切换时间与硬件支持密切相关，依赖于内存的存取速率、必须复制的寄存器的数量，是否有特殊指令（如装入或保存所有寄存器的单个指令）。

Java中的进程，当一个Java程序开始执行时，Java虚拟机（JVM）的一个实例就会被创建。在大多数系统中，JVM做一个独立的进程，以一般应用程序的形式运行于宿主操作系统中。JVM的每个实例为多线程控制提供支持，但是Java并不支持或允许JVM在同一个虚拟机中创建多个进程。目前JVM不支持多进程模型的主要原因是在同一个虚拟机中，将不同进程间的内存空间隔离开是很困难的。然而在JVM之外创建进程有可能的，这可以通过ProcessBuilder类指定操作系统的一个本地进程（例如/usr/bin/ls或C:\\windows\\system32\\mspaint.exe）来实现。也可以使用ProcessBuilder类的start()方法来创建新进程，这个方法返回一个Process对象的实例。这个进程将会在虚拟机外部运行而不会影响虚拟机，反之亦然。虚拟机和外部进程的通信通过外部进程的InputStream和OutputStream进行。

进程终止，当今成完成执行最后的语句并使用系统调用exit()请求操作系统删除自身时，进程终止。这时，进程可以返回状态值（通常为整数）到父进程（通过系统调用wait()）。所有进程资源——包括物理和虚拟内存、打开文件和IO缓冲——会被操作系统重新分配。在其他情况下也会出现终止。进程通过适当的系统调用（如Win32中TerminateProcess()）能终止另一个进程。通常，只有被终止进程的父进程才能执行这一系统调用。

进程通信，协作进程需要一种进程间通信（interprocess communicaion，IPC）机制来允许进程之间相互交换数据与信息。在许多情况下我们需要进程协作：信息共享（information sharing），由于多个用户可能对同样的信息感兴趣（如共享的文件），所以必须提供一个环境已允许对这些信息的并发访问；加快计算（computation speedup），如果希望一个特定任务更快地运行，那么必须将它分成子任务，每个子任务可以与其他子任务并行执行，注意，如果要实现这样的加速，需要计算机有多个处理单元（例如CPU或IO通道）；模块化（modularity），可能需要按模块化方式构造系统，可将系统功能分成独立进程或线程；方便（convenience），单个用户也可能同时执行许多任务，例，一个用户可以并行编辑、打印、编译。进程间通信有两种基本模型：共享内存（shared memory）和消息传递（message passing）。在共享内存模型中，建立起一块供协作进程共享的内存区域，进程通过向此共享区域读出或写入数据来交换信息。在消息传递模型中，通过在协作进程间交换消息来实现通信。消息传递对于交换较少数量的数据很有用，因为不需要避免冲突。对于计算机间的通信，消息传递也比共享内存更易于实现。共享内存允许最快、最方便的通信，在计算机中它可以达到内存的速度

消息传递，消息传递工具提供这少两种操作：发送（消息）和接收（消息）。由进程发送的消息可以是定长的或变长的，如果只能发送定长消息，那么系统级的实现相当简单。不过，这一限制使得编程任务更困难。相反地，变长消息要求更复杂的系统级实现，但是编程任务变得比较简单。这是贯穿整个操作系统设计的一种常见的折中问题。如果进程P或Q需要同心，那么他们必须彼此相互发送消息和接收消息，他们之间必须有通信链路（communication link）。如下是一些逻辑视线链路和send()/receive()操作的方法：直接或间接通信；同步或异步通信；自动或显式缓冲。
需要通信的进程必须有一个方法以相互引用。他们可以使用直接或间接通信。对于直接通信（direct communication），需要通信的每个进程必须明确地命令通信的接受者或发送者。这种方案有两种形式：对称寻址，即发送进程和接收进程必须命名对方以便通信；非对称寻址，即只要发送者命名接受者，而接受者不需要命名发送者。对称寻址或非对称寻址方案的缺点是限制了进程定义的模块化，改变进程的名称可能必须检查所有其它进程定义，所有旧名称的引用都必须找到，以便修改成为新名称。再间接通信（indirect communication）中，通过邮箱（mailbox）或端口（port）来发送和接收消息。邮箱可以抽象成一个对象，进程可以向其中存放消息，也可以从中删除消息。每个邮箱都有一个唯一的标识符，例，POSIX消息队列采用一个整数值来标识一个邮箱，对于这种方案，一个进程可能通过许多不同的邮箱与其他进程通信，但两个进程仅在共享至少一个邮箱时才能相互通信。两个通信进程之间可有多条不同的链路，每条链路对应于一个邮箱。邮箱可以为进程或操作系统所拥有，如果邮箱为进程所有（即邮箱是进程地址空间的一部分），那么需要区分拥有着（只能能够通过邮箱接收消息）和使用者（只能向邮箱发送消息）。与此相反，操作系统所拥有的邮箱上独立存在的，并不属于某个特定的进程。因此，操作系统必须提供机制已允许进程进行如下操作：创建新邮箱；通过邮箱发送和接受消息；删除邮箱。创建新邮箱的进程默认为邮箱的拥有者。开始，拥有者是唯一能通过该邮箱接收消息的进程，不过，通过操作系统调用，拥有权和接受特权可能传递给其他进程。
进程间的通信可以通过send()/receive()来进行，send()/receive()的实现由不同的设计选项。消息传递可以是阻塞（blocking）或非阻塞（nonblocking）——也成为同步（synchronous）或异步（asynchronous）。阻塞发送，发送进程阻塞，直到消息被接收进程或邮箱所接收；非阻塞发送，发送进程发送消息并继续操作；阻塞接收，接收者阻塞，直到有消息可用；非阻塞接收，接受者收到一个有效消息或空消息。注意，同步或异步的概念常常出现在操作系统的IO算法中。
不管通信时直接的或是间接的，通信进程所交换的消息都驻留在临时队列中。队列的实现基本上有三种方法：零容量（zero capacity），队列的最大长度为0；因此，链路中不能有任何消息处于等待，对于这种情况，必须阻塞发送者，直到接收者接受到消息；有限容量（bounded capacity），队列具有有限长度N；因此，最多只能有N条消息驻留其中，如果在发送新消息是队列未满，那么该消息可以放在队列中（或者复制消息，或者保留消息的指针），且发送者可继续执行而不必等待，不过，链路只有有限容量，如果连鲁曼，必须阻塞发送者知道队列中的空间可用为止；无限容量（unbounded capacity），队列长度可以无限，因此，不管多少消息都可在其中等待，从不阻塞发送者。