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上一章我们介绍了计算机组成的入门知识#xff0c;了解这些之后#xff0c;今天来聊聊进程
进程
PCB pcb中的常见属性
进程调度
进程的状态
进程的优先级
上下文
记账信息
虚拟地址空间 如果各位对文章的内容感兴趣的话#xff0c;请点点小赞~
上一章我们介绍了计算机组成的入门知识了解这些之后今天来聊聊进程
进程
PCB pcb中的常见属性
进程调度
进程的状态
进程的优先级
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每个进程都是操作系统资源分配的基本单位。怎么理解呢程序在运行的时候系统以进程为单位进行分配资源。可以这么理解疫情期间出不了门政府要给我们发放一些资源这时候呢以家庭为单位进行发放总不可能以个人为单位每个都发放。从下面这张图中我们可以看到每个进程都会占用一定的资源例如CPU、内存等系统资源 进程在系统中如何进行管理的首先管理的两个角度来看先是描述再是组织描述我们使用类/结构体把被管理的一个对象抽离出来提取出属性表示出来组织我们使用数据结构把这些表示出来的对象串起来为了后续的增删改查
描述和组织的细致解释操作系统中有一个专门的结构体操作系统内核是用C/C写的描述进程的属性这个结构体称为进程控制块PCB使用这个PCB描述进程的属性一个进程可以使用一个PCB或多个PCB来表示然后我们会使用双向链表这样的数据结构来组织多个进程也就是PCB。在Java语言中我们可以使用类/对象来描述每一个 PCB 对象就代表着一个实实在在运行着的程序也就是进程。操作系统通过双向链表的数据结构组织多个PCB对象创建新的进程就是把这个PCB对象添加到链表中销毁进程就是把PCB对象从链表中进行删除并释放操作系统会回收它所占用的资源展示进程就是遍历这个链表的每一个结点
总结就是在我们使用java语言把进程抽象出来抽象成PCB对象这个PCB对象就代表我们正在运行的程序然后我们可以通过数据结构的方式对其进行管理 PCB 是操作系统用来管理和描述进程的数据结构pcb是一个非常庞大的结构体包含很多属性其中包含的属性是进程相关联的属性是操作系统在进程切换时保存和恢复进程状态的关键进程调度pcb是一个通用的名字linux中pcb叫做task_struct pcb中的常见属性
1.pid进程的身份标识每一个进程都会有一个pid同一时刻瞬间不同进程之间的pid是不同的。主要就是用来区分不同的进程但是这个进程结束了其他新的进程就可以用它的进程号了 2.内存指针一组属性我们知道进程要运行的话需要消耗一定的系统资源才能进行运行每个进程在运行的时候都会分配到一定的内存空间。此时我们要想知道进程 内存空间 具体在哪里分配的内存空间中有哪些部分每个部分是干啥的我们用这一组内存指针来进行区分也可以说是描述。
举个例子最典型的就是进程的内存空间需要专门的区域存储执行的指令以及指令依赖的数据同时还需要存储一些运行时产生的临时数据。 进程的内存空间例子放暑假老师会发暑假作业老师自己出的给我们并且老师说要做多少做哪些这个过程可以理解为C语言编写的程序生成了一个exe的可执行文件这个可执行文件包含了一些二进制指令以及一些数据这些指令还会依赖数据指令依赖数据可以理解为老师说要做暑假作业这个指令做哪里做哪些可以理解为数据我们打开这个练习册并且读取到老师说的这些话并且记录到自己的本子上这个过程可以理解为系统读取到可执行文件的内容并且把二进制指令和数据内容从硬盘上加载到内存中回去的时候我们写作业的时候打开自己记录的本子看要写哪些写哪里然后再去写这个过程可以理解为从内存中读取指令和数据然后去执行指令
每个进程从系统中获取到的可以看作一块蛋糕内存空间是分割成多个区域的这些内存区域是独立的每个区域存储不同类型的数据和指令通过内存指针和相关数据结构进行管理内存指针用于指向这些不同的内存区域帮助操作系统管理和分配进程的内存资源。
总结就是这组内存指针用来区分内存空间中有哪些内存区域不同的内存区域存储不同的内容指令、数据等比如这块用来存储指令、这块用来存储数据可以说它是用来描述进程持有的内存资源是啥样的 3.文件描述符表类似顺序表这样的数据结构顺序的存储很多元素记录当前进程打开的所有文件。文件描述符表和文件有关也可以说和硬盘有关因为文件呢又存储在硬盘上但是呢计算机操作硬盘并不是直接操作这个硬件设备而是把硬盘上的存储空间以文件这样的抽象形式抽象出来进行表示可以参考上面的PCB对象应该是一个道理然后对其进行操作。然后呢我们在代码里操作的是文件实际在硬件操作的是硬盘
文件描述符可以看作是在文件描述符表中的下标通过下标访问的内容就是文件表项一个结构体也可以看作是对象
文件表项可以看作是文件描述符下的元素这个元素又包含具体文件的详细信息例如文件状态、访问模式、当前读写位置等其中包含了一个指针指向的内容包含文件大小、创建时间等文件的元数据 总结文件描述符表用来描述进程持有的硬盘资源是啥样的举个例子我们安装的游戏不是系统自带的自己手动安装的这个是存储在硬盘中的你可以在去硬盘文件下找到它的可执行文件或者使用快捷方式运行运行的时候这个文件描述符表就是记录了执行这个程序所打开的所有文件夹这个文件描述符表中又描述了你的文件的一些相关信息 进程调度 下面要讲的也是属于PCB中的属性这些属性 支持操作系统 实现进程调度 的效果但是并不是进程调度的全部进程调度最核心的模块操作系统里的调度器调度器里的调度算法
进程持有的cpu资源如何体现这里牵扯到进程的调度操作系统执行多个进程的基础
早期的操作系统是单任务操作系统什么意思呢手机举例就比如我们现在可以边回消息边打游戏而单任务呢同一时间只有一个进程能运行举个例子我们要么只能打游戏要么只能聊天打游戏的时候收不到消息回消息就不能打游戏选择打游戏的话就要退出回消息这个进程才能开始玩游戏这个进程相当于你去打游戏这个聊天软件给你自动退出了
一个进程要运行需要cpu来执行这里面的指令早期的cpu都是单核一个核心同一时间只能运行一个进程也就是cpu只能执行这一个进程的指令例如你打开qq这里cpu执行的都是qq的指令。操作系统通过进程调度进程调度的核心分时复用也可以叫并发的思想来管理多个进程的执行什么意思呢我们可以把一个cpu核心当作是一个舞台进程代表演员指令代表剧本每个演员按照剧本一人上去演一段表演就得下来只要轮转的速度你下来的瞬间我里立马上去够快就感觉好多个演员同时在表演一样也可以想象我们小时候在一个本子的每一页边角都画上不同的火柴人画完后我们从头开始快速的翻这个火柴人很连贯的在变化
并行现在的cpu都是多核心的当两个进程同时在两个核心上运行可以理解为当一个核心忙不过来了另外一个核心来帮忙这时才是真正的同时执行就拿刚才那个演员的例子举例你在一个舞台表演我在一个舞台表演我们同时在不同的舞台进行表演。这样的情况我们称为并行
并发一个核心的cpu通过快速轮转的方式让我们看上去实现了同时执行实际上是有先后顺序的这种情况我们称为并发
业内会把并行和并发统一叫并发也可以叫并发编程现在多核心cpu的时代一个系统会有多个进程的时候多核心起着大作用前提是有多个进程这个是关键不然你只有一个进程一个核心在那干活其他核心在那看着不帮忙。在这种多进程多任务的情况下操作系统通过并发编程充分利用多核心cpu的能力实现更高的效率。多核心的出现是为了实现并发编程的效果 进程的状态
1.运行cpu正在处理你的进程并且运行着此时你的进程占用着cpu的资源
2.就绪此时进程的准备工作都做好了比如系统资源的分配就差系统调用cpu去处理就能运行了
3.阻塞想象你给你的游戏充钱的场景你充了钱才能回到游戏你也可以点击取消充值回到游戏 进程的优先级
操作系统在调度多个进程的时候不会人人平等就拿刚才的演员举例子比如一个舞台你是主角你和其他演员的区别一眼就看出了肯定是主角的优先级高可以把操作系统调度多个进程看作导演在为多个角色分配优先权优先级高的进程会优先获得 CPU 时间。就像舞台上的主角会比配角有更多的表演时间权力也大 上下文
切换进程的时候把你上一个进程的相关信息记录下来例如你打游戏打着打着然后切到微信回消息此时cpu各种寄存器的状态会被记录下来记录到内存当中然后你切回来的时候cpu把刚才记录在内存的上一个进程的信息拿回来接着处理。就类似闯关游戏玩累了闯到第几关保存下来去吃个饭回来接着从这关开始。
下面这几个cpu中的寄存器涉及到上下文
程序计数器寄存器是一个2字节/4字节/八字节 这个整数存的是一个内存地址程序下一条要执行的指令的地址初始情况程序计数器指向进程指令的入口可以理解为main方法然后一般都是顺序执行的并且取完一条指令值会自动更新如果遇到跳转类指令就会设置成跳转的地址
维护栈相关的寄存器通过这一组一般是两个寄存器来维护当前程序的调用栈栈也是一块内存保存当前程序 方法调用过程中 一系列的关系包括局部变量、方法参数就想象成一个方法调用另外一个方法另外一个又调用其他的。ebp寄存器始终指向栈底esp寄存器始终指向栈顶。所以修改esp的值就可以实现出栈和入栈。有了这个寄存器我们就能知道一个方法执行完要回到哪里执行可以想象递归。
其他通用寄存器通用寄存器主要负责存储临时的数据和指令记住cpu拿数据不是直接从内存中拿的是通过寄存器中获取的 记账信息
记录当前进程持有的cpu的情况在cpu执行多久了占用内存大小作为操作系统调度进程的参考依据。通过优先级机制对不同的进程分配了不同权重的资源。可能会出现一个情况还是拿演员的例子举例你是主角你分配到的上场时间比其他演员多如果没有导演做出分配或者约束你一直在那表演其他演员肯定不乐意于是操作系统拿记账信息作为调度进程的参考依据导演看你上场的时间太多了其他演员都没有上场时间于是对上场时间进行重新分配。或者你玩游戏的时候想能收到女朋友的消息虽然游戏占的资源多但是聊天软件这个进程的资源总不可能一点都没有吧不然收不到消息后果自己品 虚拟地址空间
操作系统为了应用程序提供稳定的运行环境引入虚拟地址空间的概念早期的操作系统程序运行时分配的内存就是物理内存 可以理解为宿舍楼 (这样有很多个房间每个房间都是一个字节有一个编号从0开始依次累加这个编号就是内存地址)
这样分配的内存后会出现一个问题我运行两个进程A和B一个进程一块物理内存然后B进程出现bug内存访问越界访问到A进程的物理内存并且把A进程的内存的一些值改了导致A进程崩了。就好比你住宾馆开的房间是101结果你冲去102里面一男一女这你不就gg了 所以为了进程之间的稳定性有了虚拟地址空间这么一说现在我们一个程序运行时分配的内存是 虚拟内存什么意思呢对内存又进行抽象把这个物理内存抽象出来搞了一个虚拟内存我们通过操作虚拟地址来访问物理内存此时操作系统会对你的虚拟地址进行翻译翻译成物理地址这里可以看作是一个hash表这样的映射结构并且会对虚拟地址做出校验这样发生越界的访问的时候操作系统做出校验会打回报错从而访问物理内存 以上便是进程的相关内容我们java程序员了解这么多即可我们更关注线程方面的相关知识下一章我们讲解线程
