操作系统导论第四章 | 抽象：进程

操作系统 | 抽象：进程

程序是静态的，没有生命周期的存在磁盘上面的一些指令。操作系统可以让这些字节运行起来，发挥作用。进程非正式定义即运行中的程序。

既然说一个进程是一个正在运行的程序，那么我们需要了解机器的哪些部分对执行程序很重要。

1）指令可访问的内存是进程的一部分。指令、正在运行的程序读取和写入的数据也在内存中。

2）寄存器。许多指令明确地读取或更新寄存器。

3）持久存储设备。

操作系统提供了创建、销毁、等待、其他控制、状态这些进程API。

创建进程

操作系统将代码和静态数据加载到内存、进程地地址空间中。早期操作系统会在运行程序之前全部完成加载过程，而现代操作系统惰性（lazily）执行该过程，仅在程序执行期间需要加载的代码或数据片段才会加载（涉及分页和交换的机制）。

之后，操作系统将为程序的运行时栈（run-time stack）分配一些内存、为程序的堆（heap）分配一些内存、执行I/O任务。最后，OS将CPU控制权转移到新创建的进程中开始执行程序。

进程状态

• 运行：进程正在处理机上运行
• 就绪：进程已准备好运行，但由于某种原因操作系统选择不再此时运行
• 阻塞：一个进程执行了某种操作，直到发生其他事件时才会准备运行。

进程所需的数据结构

进程列表、进程控制块PCB

模拟程序

process-run.py

参数说明：

-l PROCESS_LIST：PROCESS_LIST由逗号分隔，形如X1:Y1,X2:Y2，其中X是进程中包含的指令数，Y是进程为CPU指令的概率（非CPU指令则为I/O指令）。

模拟程序可模拟 进程使用CPU、进程提出IO请求并等待I/O过程完成。

在这里5:100意为程序由5条指令组成，每条指令为CPU概率是100%。加上-c参数，可以看到每个时刻的状态：

复杂一点，如果运行2个包含5条100%CPU指令的进程，则可以观察到：

在这里可以看到，首先运行PID为0的程序，process 1处于就绪状态，可以运行，但直至process 0处于结束态时才会被处理。

在下面的模拟片段中，将只产生I/O请求的指令（即CPU指令概率为0），并用-L参数指定IO操作的时间为5个时间片长度。

执行过程如下所示，可以看到程序发出I/O时，进程进入WAITING状态（阻塞态），IO设备忙，CPU处于空闲。

使用-p命令可以得到相应的统计结果：

练习

1. 使用./process-run.py -l 4:100,1:0发出4条CPU指令和一条简单的IO请求并等待完成。这两个进程需要多少时间？

   

   ——第0个进程的4条CPU指令先被执行，第1个进程处于就绪态，IO空闲CPU忙。之后第二个进程等待IO处理，IO忙CPU空闲。由于IO请求时间长默认为5，因此({4+2+5=11}).

2. 交换进程执行顺序：./process-run.py -l 1:0,4:100.

   

   ——第0个进程发起IO请求后进入阻塞态（开始用时1，IO处理时间5，结束用时1），第1个进程被CPU处理（时间4，在第0个进程处于阻塞态时即被处理），总共用时7。

3. 现在探索另一些标志。一个重要的标志是-S，它决定了当进程发出 I/O 时系统如何反应。将标志设置为 SWITCH_ON_END，在进程进行 I/O 操作时，系统将不会切换到另一个进程，而是等待进程完成。

   

   ——可以观察到如果阻止了系统切换，时间开销变为11。IO处理期间，第1个进程也无法被CPU处理。

4. 另一个重要的行为是 I/O 完成时要做什么。利用-I IO_RUN_LATER，当 I/O 完成时，发出IO请求的进程不一定马上运行。相反，当时运行的进程一直运行。当你运行这个进程组合时会发生什么（./process-run.py -l 3:0,5:100,5:100,5:100 -S SWITCH_ON_IO -I IO_RUN_LATER -c -p）系统资源是否被有效利用？

   

   ——资源利用效率并不高。process 0运行时请求IO，然后process 1运行5条CPU指令后，process 2、process 3分别运行5条IO指令，之后process 0结束IO，并发起第2条、第3条IO请求。总共耗时({1+5+5+5+1+7+7=31})

5. 更改命令行参数为-I IO_RUN_IMMEDIATE ，观察运行情况：

   

   ——可以看到执行的时间片为21，CPU利用率达到100%。这是因为对于多条IO请求的情况，IO设备忙时IO请求的进程处于阻塞态，其他进程可以被CPU处理，因此IO、CPU均忙的情况显著增加，从而提高了效率。