CPU虚拟化-进程 | 彩潭有鲤的札记

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抽象：进程

操作系统为正在运行的程序提供的抽象，就是所谓的进程（process）。在任何时刻，我们都可以清点它在执行过程中访问或影响的系统的不同部分，从而概括一个进程。

为了理解构成进程的是什么，我们必须理解它的机器状态（machine state）：程序在运行时可以读取或更新的内容。

进程的机器状态有一个明显组成部分，就是它的内存。指令存在内存中。正在运行的程序读取和写入的数据也在内存中。因此进程可以访问的内存（地址空间）是该进程的一部分。

进程的机器状态的另一部分是寄存器。许多指令明确地读取或更新寄存器，因此显然，它们对于执行该进程很重要。注：有一些非常特殊的寄存器构成了该机器状态的一部分，例如，程序计数器（Program Counter，PC）（有时称为指令指针，Instruction Pointer 或IP）告诉我们程序当前正在执行哪个指令；栈指针（stack pointer）和相关的帧指针（frame pointer）用于管理函数参数栈、局部变量和返回地址。

操作系统使用进程列表记录当前的所有进程，进程列表由一系列进程控制块（PCB）组成（可以是数组或者双向链表等），进程的相关属性信息存储在进程控制块中，典型的进程属性信息包括：PID、状态、地址空间、硬件状态等。

PID：进程的标识符，除了本身的PID以外，还应当记录parent PID

State：进程状态

Address space：进程的虚拟内存地址空间，包括主存（用户空间、内核空间）、寄存器（一般寄存器、控制寄存器）、外部设备（文件、socket、其他内存映射IO设备）等

Hardware state：特指关键的寄存器如PC、SP等

进程API

创建（create）：操作系统必须包含一些创建新进程的方法。在shell 中键入命令或双击应用程序图标时，会调用操作系统来创建新进程，运行指定的程序。

程序如何转化为进程? 进程创建实际如何进行?

操作系统运行程序必须做的第一件事是将代码和所有静态数据（如初始化变量）加载到内存中，加载到进程的地址空间中。程序最初以某种可执行格式驻留在磁盘上。将程序和静态数据加载到内存中的过程，需要操作系统从磁盘读取这些字节，并将它们放在内存中的某处。

早期的（简单的）操作系统中，加载过程尽早完成，即在运行程序之前全部完成
现代操作系统惰性执行该过程，即仅在程序执行期间需要加载的代码或数据片段，才会加载

将代码和数据加载到内存后，操作系统在运行此进程之前还需要执行一些其他的操作，必须为程序的运行时栈（run-time stack 或stack）分配一些内存。c程序使用栈存放局部变量、函数参数和返回地址。操作系统分配这些内存，并提供给进程。操作系统也有可能会用参数初始化栈。具体来说，它会将参数填入main()函数，即argc和argv数组。

操作系统也可能为程序的堆分配一些内存。在c程序中，堆用于显示请求的动态分配数据，通过malloc/free函数申请给数据结构（链表、散列表、树等）的内存。

操作系统还将执行一些其他初始化任务，特别是输入输出相关的。例如，Unix系统中，默认情况下每个进程都有三个打开的文件描述符，用于标准输入、输出和错误。

以上任务完成后，启动程序，在入口处运行，即main()。通过跳转到main()例程，OS将CPU的控制权转移到新创建的进程中，从而开始执行程序。

销毁（destroy）：由于存在创建进程的接口，因此系统还提供了一个强制销毁进程的接口。当然，很多进程会在运行完成后自行退出。但是，如果它们不退出，用户可能希望终止它们，因此停止失控进程的接口非常有用。

等待（wait）：有时等待进程停止运行是有用的，因此经常提供某种等待接口。

其他控制（miscellaneous control）：除了杀死或等待进程外，有时还可能有其他控制。例如，大多数操作系统提供某种方法来暂停进程（停止运行一段时间），然后恢复（继续运行）。

状态（statu）：通常也有一些接口可以获得有关进程的状态信息，例如运行了多长时间，或者处于什么状态。

unix中关于进程的API有：

fork()：复制出与当前进程一样的子进程，当前进程与子进程同时运行（按照调度规则），根据fork对当前进程与子进程的返回值不一样（父进程中，返回新创建子进程的进程ID；在子进程中，返回0），（按照返回值作为判断依据的分支）执行不同的程序片段直到返回。

wait()：在使用了fork已经创建了子进程的情况下，当前进程执行到wait处时等待子进程返回后才接着运行。

exec()：使用exec后，新的进程将直接替代当前进程（而不是创建子进程的并结束当前进程），新进程覆盖原来的内存空间（例如数据段、代码段、栈等）并接着运行直到返回。exec()有几种变体：execl()、execle()、execlp()、execv()和execvp()

kill()：向进程发送一个信号（包括要求进程睡眠、终止或其他指令）。

进程状态

进程可以处于以下三种状态之一：

运行（running）：在运行状态下，进程正在处理器上运行。这意味着它正在执行指令。

就绪（ready）：在就绪状态下，进程已准备好运行，但由于某种原因，操作系统选择不在此时运行。

阻塞（blocked）：在阻塞状态下，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。一个常见的例子是，当进程向磁盘发起I/O请求时，它会被阻塞，因此其他进程可以使用处理器。

可以根据操作系统的载量，让进程在就绪状态和运行状态之间转换。从就绪到运行意味着该进程已经被调度（scheduled）。从运行转移到就绪意味着该进程已经取消调度（descheduled）。一旦进程被阻塞（例如，通过发起I/O 操作），OS 将保持进程的这种状态，直到发生某种事件（如，I/O完成）。此时，进程再次转入就绪状态（也可能立即再次运行，如果操作系统这样决定）。

Process0发起I/O并被阻塞，等待I/O完成。如，当从磁盘读取数据或等待网络数据包时，进程会被阻塞。OS发现Process0 不使用CPU 并开始运行Process1。当Process1运行时，I/O完成，将Process0移回就绪状态。最后，Process1结束，Process0 运行，然后完成

注：操作系统必须做出许多决定。首先，系统必须决定在Process0发出I/O 时运行Process1。这样做可以通过保持CPU 繁忙来提高资源利用率。其次，当I/O完成，系统决定不切换回Process0。目前还不清楚这是不是一个很好的决定，这些类型的决策由操作系统调度程序完成。

数据结构

操作系统是一个程序，和其他程序一样，它有一些关键的数据结构来跟踪各种相关的信息。例如，为了跟踪每个进程的状态，操作系统可能会为所有就绪的进程保留某种进程列表（process list），以及跟踪当前正在运行的进程的一些附加信息。操作系统还必须以某种方式跟踪被阻塞的进程。当I/O 事件完成时，操作系统应确保唤醒正确的进程，让它准备好再次运行。