进程¶

本章问题：程序暂停后为什么还能接着运行？等待磁盘的程序与等待CPU的程序有什么不同？

学习顺序：

1. 认识进程的地址空间和PCB执行记录。
2. 按事件画就绪、运行、阻塞之间的转换。
3. 逐分支追踪fork创建与exec替换。
4. 比较共享内存、消息、管道的通信语义。

运行为什么需要档案¶

程序执行到一半要暂停，恢复时必须知道下一条指令在哪里、寄存器里存了什么、打开了哪些文件。

操作系统把这些管理信息放在进程控制块（PCB）：进程标识、状态、程序计数器、寄存器、调度信息、地址空间信息和资源引用。

进程地址空间通常含代码、全局数据、堆和栈。堆用于动态分配，栈保存函数调用的返回位置、参数和局部数据。进程并非只有一份代码；同一程序的两次运行也有各自的状态和资源。

设A正在算 3+5，结果8暂存在寄存器中，此时被暂停。以后恢复A，必须同时恢复“从哪条指令继续”和“寄存器中间值是什么”。若只保留代码文件，运行了一半的状态就会丢失。

PCB记录的是系统管理与恢复所需信息；程序实际代码、堆和栈位于相应地址空间中，不能把整个进程内容都理解为装在PCB里。

flowchart TB
    N["新建"] -->|"接纳"| R["就绪：条件齐，只缺CPU"]
    R -->|"被调度"| X["运行：正占CPU"]
    X -->|"抢占或时间片结束"| R
    X -->|"等待设备或消息"| W["阻塞：还缺某个事件"]
    W -->|"等待事件完成"| R
    X -->|"结束"| T["终止"]

读图时给每条箭头补一个真实事件。阻塞解除后先进入就绪，因为CPU可能仍被B使用。现代系统通常调度线程；本章采用单线程进程模型说明状态，同样的等待与调度逻辑也适用于线程。

等CPU还是等事件¶

五个基本状态是新建、就绪、运行、阻塞和终止。理解它们只需问：现在缺CPU，还是缺其他条件？

A等待磁盘时B运行；磁盘完成使A就绪，只有调度器选中A后它才运行。上下文切换保存当前任务的寄存器等执行状态，再恢复另一个任务的状态，期间有管理成本。

系统调用和中断可以只进内核再返回原任务，因此不一定切换进程。

每条状态转换都由具体事件触发

练习 1¶

创建之后从哪里继续¶

fork 的关键是“复制运行状态，然后父子分别获得返回值”。父子接下来都执行调用之后的代码；条件语句根据各自返回值把它们带入不同分支。

画创建树时，每遇一次 fork，先问究竟哪些现存进程能执行到这一行，再给每个执行者各添一个子进程。

Unix风格的 fork 创建子进程，父子都从调用返回处继续：父进程得到子进程标识，子进程得到0。

地址空间逻辑上独立，具体内存可用稍后介绍的写时复制共享；打开文件引用可能继承并共享同一打开实例。

看一段伪代码：

v = 2
pid = fork()
if pid == 0:
    v = v + 3
    fork()
else:
    v = v + 1

第一次得到父P和子C。P走else，值变3；C把值改成5，再创建D。D从第二次 fork 后继续，因此C和D均为5。最后是3个进程，不能只数两次文字出现就套 \(2^2\)。

• exec把当前进程的程序映像替换为另一个程序，通常保留进程身份；
• exit结束执行并留下退出状态；
• 父进程通过 wait 类调用取得某个符合条件的子进程状态。
• 已退出但状态尚未回收者是僵尸；
• 父进程先退出而子仍存活称孤儿，两者不同。

练习 2¶

x = fork()
if x == 0:
    fork()

两个进程怎样合作¶

共享内存让双方映射同一块存储区，数据交换可少一次复制，但要控制读写次序。

环形缓冲区常用写指针与读指针指示位置；若只用两指针并把“相等”表示空，通常留一个槽区分满与空，容量为 \(N\) 时只存 \(N-1\) 项。也可增加计数或额外标志用满全部槽。

共享映射不自动解决同步。

• 消息传递通过发送与接收操作交换数据。
• 直接通信指定对方；
• 间接通信通过邮箱或端口。
• 阻塞发送可能等接收或空间，阻塞接收等消息；
• 非阻塞操作立即报告当前结果。
• 零容量缓冲要求双方会合，有界缓冲满时发送可能等，无界模型则忽略容量限制。

• 通信方式与阻塞策略是两组独立选择。

• 管道通常提供字节流，不保留每次写入的消息边界；

• 有界原子写入保证也不等同消息分帧。
• 管道为空时，如果仍有任何写端引用，读者不能认定结束；
• 所有写端关闭且存量读尽才到EOF。
• socket让本机或网络端点通信；
• RPC把远程请求包装成调用，但网络超时不说明对方一定没有执行，重试需处理重复效果。

练习 3¶

v = 2
pid = fork()
if pid == 0:
    v = v + 3
    fork()
else:
    v = v + 1

记忆要点¶