Processes进程

为什么我们需要同时运行多个程序？称为“多道程序设计” 因为它会提高 CPU 利用率
I/O 密集型程序大部分时间都在等待 I/O，因此最好让 CPU 忙于其他任务

多道程序设计：在一个物理地址空间中容纳多个进程每个进程可以是 I/O 密集型或 CPU 密集型混合使用 I/O 密集型和 CPU 密集型进程会很好目标是提高 CPU 利用率调度程序决定哪个进程执行

分时（或“多任务”）：非常快速地在进程之间来回切换 - 称为“上下文切换”
目标是减少用户与计算机交互时的延迟

程序由静态代码和数据（如磁盘上的数据）组成。进程是程序的运行实例。在任何时候，一个程序都可能有 0 个或多个运行实例，例如，一个用户可能同时运行多个 shell

从运行时上下文的角度来看，进程是一个执行流。执行流是执行指令的序列（即“控制线程”）。运行时上下文包含执行指令可能影响或受其影响的所有内容（例如，寄存器、地址空间、文件等持久数据）

进程可访问的一组内存部分称为进程的地址空间

文本 — 程序代码（通常是只读）
数据 — 全局变量和常量
栈（Stack） — 每个帧包含参数、局部变量和函数的返回地址
堆（Heap）— 动态分配内存，例如，通过在 C 中调用 malloc()

允许在同一物理地址空间中执行多个程序
虚拟化CPU：多个独立进程同时运行在一台物理机上但实际上，每个CPU上任一时刻最多只能有一个进程处于活动状态。

程序是磁盘上的应用程序，由代码和数据组成；
程序在执行时就成为进程。进程是程序的运行实例。进程以单个执行线程和地址空间开始。一个进程可以在同一地址空间中启动多个执行线程。每个线程都有自己的堆栈，但它们共享全局数据、代码和堆。

当用户执行程序时，操作系统会创建一个进程。操作系统在多个进程之间分时共享 CPU。操作系统调度程序选择要运行的可执行进程之一。
调度程序必须保留进程列表
调度程序必须保留调度策略的元数据

策略和机制之间的区别可以实现模块化。调度策略独立于上下文切换功能。

运行（Running）：此进程当前正在执行
就绪（Ready）：此进程已准备好执行（并且将在策略决定时进行调度）
阻塞（Blocked）：此进程已挂起（例如，等待某些操作；当该操作完成时，操作系统将取消阻止它）
New：此进程正在创建（以确保它不会被调度） Dead/termination：此进程已终止（例如，如果父进程尚未读出返回值）

如果所有进程都被阻塞，应该调度什么进程？空闲进程（idle）。现代内核使用低优先级空闲进程，如果没有其他进程准备好，该进程就会被调度并执行。空闲进程从不阻塞或执行任何 I/O。空闲进程是解决挑战性问题的简单方法。如果没有空闲进程，调度程序将必须检查是否没有进程准备好运行，并且必须保守地采取行动。空闲进程保证至少有一个进程可以运行

操作系统维护活动进程的数据结构（数组/列表）。每个进程的信息都存储在进程控制块（在 Linux 上，称为 task_struct）中，其中包含：
进程标识符 (PID)
进程状态（例如，就绪）
指向父进程的指针 (cat /proc/self/status)
CPU 上下文（如果进程未运行）
指向地址空间的指针 (cat /proc/self/maps)
指向打开文件列表的指针（文件描述符，cat /proc/self/fdinfo/*）

保存进程的所有状态允许进程暂时挂起并稍后从同一点恢复
然后可以通过恢复其保存的状态来恢复另一个进程
执行上下文切换所需的时间是我们希望最小化的开销

程序：由磁盘上的可执行文件组成。包含启动进程的所有信息
进程：程序的运行实例；具有数据部分和堆栈初始化
线程：一个进程可以在同一地址空间中拥有多个线程（计算相同的数据）

读取地址0xc0f3的两个进程可能读取到不同的值。而同一进程中的两个线程会读取相同的值

进程可以通过系统调用API（应用程序编程接口）请求服务
进程 API 使进程能够通过一组系统调用来控制自身和其他进程：
getpid() 检索进程的 ID，每个进程都有唯一的 PID
fork() 创建一个新的子进程（进程的副本）
exec () 执行一个新程序
exit() 终止当前进程
wait() 阻塞父进程，直到子进程终止

操作系统为新进程（子进程）分配数据结构。操作系统复制调用者（父级）的地址空间。子进程已准备就绪并添加到进程列表中。 fork() 为父/子返回不同的值。父级和子级继续在各自的地址空间副本中执行
exec() 替换地址空间，从磁盘加载新程序。总是执行同一个程序很无聊。程序可以传递命令行参数和环境。旧的地址空间/状态被销毁，除了保留的 STDIN、STDOUT、STDERR 之外，允许父级重定向/重新连接子级的输出！
假设用户想要启动另一个程序。为此，操作系统需要创建一个新进程并创建一个新的地址空间来加载程序。
fork() 使用该地址空间的副本创建一个新进程 exec() 为程序创建一个新的地址空间 clone() 将一个（执行的）线程添加到该地址空间
子进程与其父进程相关联。 exit(int retval) 接受一个返回值参数。父级可以 wait() 终止子级并读取子级的返回值
fork() 通过复制调用进程地址空间的内容来创建新进程新进程有自己的地址空间（内容从父进程复制）操作系统中的进程控制块

进程直接在CPU上执行指令

进程可能会做一些非法的事情（读/写不属于该进程的内存，直接访问硬件）进程可能会永远运行（操作系统必须保持控制）进程可能会做一些缓慢的事情，例如 I/O（操作系统可能想要切换到另一个进程）
解决方案：操作系统在硬件的帮助下维持一些控制。例如，操作系统维护定时器以定期拦截执行，并且进程可能不会执行直接访问硬件的特权指令

在大多数操作系统上，进程是：相互隔离与操作系统隔离隔离是安全的核心要求：将错误限制在进程中启用权限隔离启用分区（将复杂系统分解为独立的故障域)