为了帮助大家理解什么是进程,以厨师做蛋糕为例。厨师做蛋糕,首先需要厨师(CPU),其次,需要食谱(程序)和原料(输入数据),而用原料做蛋糕的一些列动作的总和就是进程。某天厨师正在后厨做着蛋糕,突来听到儿子哭着跑进后厨,说自己被蜜蜂蛰了 ,厨师放下手中工具,并记录下当前做到哪一步了(保存上下文信息) ,然后拿出急救手册,按其中的说明为儿子进行处理(开始另外一个进程)。
我们知道文件是对I/O设备的抽象,虚拟存储器是对文件和主存的抽象,指令集是对CPU的抽象,进程是对指令集和虚拟存储器的抽象。如下图所示 。
从上可知,进程包括指令集和虚拟存储器。我们着重介绍进程在虚拟存储器中的逻辑布局,它包括用户栈、堆、程序数据和程序代码,其中,用户栈从上往下生长,堆从下往上生长,程序数据和程序代码从可执行文件加载而来,将程序代码改写成汇编指令就是类似于movl、imul、addl等指令
。如下图所示
此时,CPU运行到地址为304的指令, 假设CPU时间片刚好用完,就需要进行进程切换,在进行进程切换之前,需要保护现场,即保存寄存器信息、PC、打开的文件, 代码段地址、数据地址、堆栈信息等,这些信息称为进程的上下文。当操作系统切换到进程时,首先将进程2的上下文信息加载到操作系统中,找到PC,然后接着执行就可以了。
进程的上下文信息是以某个数据结构保存在内存中的,而这种数据结构就是PCB。在Linux操作系统中PCB对应的数据结构就是task_struct,它保存着进程的重要信息。
struct task_struct{
pid_t pid://进程号
long state;//状态
cputime_t utime,stime;//cpu在用户态和 核心态下执行的时间
struct files_struct *files;//打开的文件
struct mm_struct *mm;//进程使用的内存
...
}
像上文描述的那样,CPU调度就是到底哪个进程占有CPU,它可以分为非抢占式和抢占式。非抢占式是指调度程序一旦把CPU分配给某一进程后便让它一直运行下去,直到进程完成或发生某件事件而不能运行时,才将CPU分配给其他进程。它适合批处理系统,简单、系统开销小。抢占式是指当一个进程正在执行时,系统可以基于某种策略剥夺CPU给其他进程。剥夺的原则有优先权原则、端进程优先原则、时间片原则,它适用于交互式系统。
我们知道,打印机有一个缓存,叫做打印队列,如下图所示,打印队列有5个空格,就是说这个打印队列最多可以容纳5个待打印文件,打印机进程就是消费者,而其他待打印进程是生产者,生产者不断地向队列中放数据,例如:A.java、B.doc等。
boolean TestAndSet(boolean *lock){
boolean rv = *lock;
*lock = TRUE;
return rv;
}
// 使用TestAndSet
boolean lock = false;
do{
while(TestAndSet(&lock)){
...//什么也不做
}
临界区
lock = false;
剩余区
}while(true);
wait(S){
while(S<=0){
...//啥也不做
}
S--;
}
signal(S){
S++;
}
//
semaphore mutext = 1;
wait(mutex);
进入临界区
signal(mutex);
剩余区
用硬件指令实现锁的方案和信号量方案都有忙等问题,即某个进程获得了CPU时间片,但是啥事干不了,while(S < = 0){...}
typedef struct{
int value;
struct process *list;
} semaphore;
wait(semaphore *s){
s -> value--;
if(s->value<0){
//把当前进程加入到s->list中
block();
}
signal(semaphore *s){
s -> value++;
if(s -> value <=0){
//从s->list取出一个进程p
wakeup(p);
}
}
由于进程之间是相互独立的,所以进程间数据共享只能通过内核实现,开销很麻烦,因此我们提出了线程这个概念。线程之间的数据是共享的;一个进程可以只有一个线程,也可以有多个线程(一个进程至少有一个线程);当一个进程有多个线程时,每个线程都有一套独立的寄存器和堆栈信息,而代码、数据和文件是共享的,如下图所示。
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原创声明:本文系作者授权腾讯云开发者社区发表,未经许可,不得转载。
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