進程
進程概念
早期的計算機一次只能執行一個程序。這種程序完全控制系統，並且訪問所有系統資源。相比之下，現在計算機系統允許加載多個程序到內存，以便併發執行。這就導致了進程(peocess)的產生。進程是現在分時系統的工作單元。
程序本身不是進程。程序只是被動(passive)實體，如存儲在磁盤上包含一系列指令的文件(經常稱爲可執行文件(executable file))。
相反，進程是活動(active)實體，具有一個程序計數器用於執行下個執行命令和一組相關資源。
雖然兩個進程可以與同一程序相關聯，但是當做兩個單獨的執行序列。每個都是獨立進程，因爲文本段相同，但是數據，堆及堆棧卻不同。
進程狀態
進程在執行時會改變狀態。共有五種狀態：
新的(new)：進程正在創建
運行(running)：指令正在執行
等待(waiting)：進程等待發生某個事件(如I/O完成或收到信號)
就緒(ready)：進程等待分配處理器
終止(terminated)：進程已經完成執行
一次只有一個進程在一個處理器上運行(running),但是許多進程可處於就緒(ready)或等待(waiting)狀態。
進程控制塊
操作系統的每個進程表示，採用進程控制塊(Pocess Control Block ，PCB),也叫做任務控制塊(task control block)。
它包含進程相關的七種信息:
進程狀態(process state): 狀態可以包括新的，運行，等待，就緒，終止
程序計數器(program counter)：計數器表示程序將要執行的下個指令的地址。
CPU寄存器(CPU register)：根據計算機體系結構的不同，寄存器的類型和數量也會不同。它們包括累加器，索引寄存器等等。
CPU調度信息(CPU-scheduling information)：這類信息包括進程優先級，調度隊列的指針和其他調度參數。
內存管理信息(memory-management information)：這類系統可以包括基地址和界限寄存器的值，頁表或段表等。
記賬信息(accounting information)：這類信息包括CPU時間，實際使用時間，時間期限，記賬信息，作業或進程數量等。
I/O狀態信息(I/O state information)：這類信息包括分配給進程的I/O設備列表，打開文件列表等。
簡而言之，PCB簡單地作爲這些信息的倉庫，這些信息隨着進程的不同而不同。
進程調度
多道程序設計的目標是，無論何時都有進程運行，從而最大化CPU利用率。
進程調度器(process scheduler)選擇一個可用進程到CPU上執行。
單處理器系統不會具有多個正在運行的進程。如果有多個進程，那麼餘下的需要的等待CPU空閒並能重新調度。
調度隊列
進程在進入系統時，會被加到作業隊列(job queue),這個隊列包括系統內的所有進程。
這個隊列通常用鏈表實現，其頭節點有兩個指針，用於指向鏈表的第一個和最後一個PCB塊；每個PCB還包括一個指針，指向就緒隊列的下一個PCB。
系統還有其他隊列。等待特定I/O設備的進程列表，成爲設備隊列(device queue)。每個設備都有自己的設備隊列。
最初，新進程被加到就緒隊列中，它在就緒隊列中等待，知道被選中執行或被分派。
當該進程分配到CPU並執行時，有以下3種事件可能發生：
進程可能發出I/O請求，並被放到I/O隊列中。
進程可能創建一個新的子進程，並等待其終止。
進程可能由於中斷而被強制釋放CPU，並被放回到就緒隊列中。
前兩種情況，進程最終從等待狀態切換到就緒狀態，並放回到就緒隊列。進程重複這一循環直到終止。然後它就會從所有隊列中刪除，其PCB和資源也被釋放。
調度程序
進程在整個生命週期中，會在各種調度隊列之間遷移。操作系統爲了按一定方式從這些隊列中選擇進程，進程選擇通過適當調度器或調度程序(scheduler)來執行。
長期調度程序(long-term scheduler)從大容量存儲設備(通常爲磁盤)的緩衝池中選擇進程，加到內存中，以便執行。短期調度程序(short-term scheduler)或CPU調度程序(CPU scheduler)從準備執行的進程中選擇進程，並分配給CPU。
從上面就很容易看出長期調度程序與短期調度程序的作用與區別。
其中，這兩種調度程序的主要區別是執行效率。
短期調度程序必須經常爲CPU選擇新的進程。進程可能執行幾毫秒，就會等待I//O請求。通常，短期調度程序每100ms至少執行一次。由於執行之間的時間短，短期調度程序必須快速。
而長期調度程序執行並不頻繁，在新進程的創建之前，可能有幾分鐘的間隔。長期調度程序控制多道程序程度(degree of multiprogramming)(內存中的進程數量)。因此，只有在進程離開系統時，才需要長期調度程序的調度。由於每次執行之間的更長時間間隔，長期調度程序可以負擔得起更多時間，以便決定選擇執行那個進程。
重要的是，長期調度程序需要認真選擇。
大多數進程可分爲：I/O爲主或CPU爲主
I/O密集型進程(I/O-bound process)，執行I/O比執行計算需要花費更多時間。相反，CPU密集型進程(CPU-bound process)很少產生I/O請求，而是將更多時間用於執行計算。所以，長期調度程序應該選擇I/O密集型和CPU密集型的合理進程組合。
如果所有進程都是I/O密集型的，那麼就緒隊列幾乎總是爲空，從而短期調度程序沒有什麼可做。如果所有進程都是CPU密集型的，那麼I/O等待隊列幾乎總是爲空，從而設備沒有得到使用，因而系統會不平衡。
所以，爲了使得性能最佳，系統需要I/O密集型和CPU密集型的進程組合。
有的操作系統如分時系統，可能引入一個額外的中期調度程序(medium-term scheduler)。
中期調度程序的核心思想是可將進程從內存(或從CPU競爭)中移出，從而降低多道程序程度。之後，進程可被重新調入內存，並從中斷處繼續執行。這種方案稱爲交換(swap)。通過中期調度程序，進程可換出(swap out)，並在後來可換入(swap in)。
爲了改善進程組合，或者由於內存需求改變導致過度使用內存從而需要釋放內存，就有必要使用交換
*論述長期調度 ，中期調度，短期調度的差異？
短期調度：短期調度在內存進程中選擇就緒執行的進程加載到CPU
中期調度：中期調度將部分運行進程移出內存，之後又加載進程到內存，從中斷處運行
長期調度：長期調度從大容量存儲設備的緩衝池中選擇進程加載到內存
他們的不同之處是他們執行的頻率。短期調度程序需要經常調用，而長期調用並不頻繁調用，可能在進程離開系統時才被喚起
上下文切換
切換CPU到另一個進程需要保存當前進程狀態和恢復另一個進程的狀態，這個任務稱爲上下文切換(context switch)。
中斷導致CPU從執行當前任務改變到CPU上的進程的上下文，以便在處理後能夠恢復上下文，即先掛起進程，再恢復進程。
進程上下文采用PCB表示，包括CPU寄存器的值，進程狀態和內存信息管理等。
通常，通過執行狀態保存(state save)，保存CPU當前狀態(包括內核模式和用戶模式),之後，狀態恢復(state restore)重新開始運行。
*內核採取一些動作以便在兩個進程之間進行上下文切換，請描述一下？
操作系統保存正在運行的進程中的上下文，然後恢復將要運行進程的上下文
進程運行
大多數系統的進程能夠併發執行，它們可以動態創建和刪除。
進程創建
進程在執行過程中可能創建多個新的進程。創建進程稱爲父進程，而新的進程稱爲子進程。每個新進程可以在創建其他的進程，從而形成進程樹(process tree)。
大多數的操作系統對進程的識別採用的是唯一的進程標識符(process identifier, pid)，這通常是一個整數值。
系統內的每個進程都有唯一的pid，它可以用作索引，以便訪問內核中的進程的各種屬性。
一般來說，當一個進程創建子進程時，該子進程會需要一定的資源(CPU時間，內存等)來完成任務，有兩種資源獲得來源：
子進程可以從操作系統那裏直接獲得資源
也可以父進程那裏獲得資源子集。
除了提供各種物理和邏輯資源外，父進程也可能向子進程傳遞初始化數據(或輸入)。
當進程創建新進程時，可有兩種執行可能：
父進程與子進程併發執行
父進程等待，直到某個或全部子進程執行完
新進程的地址空間也有兩種可能：
子進程是父進程的複製品
子進程加載另一個程序(如使用系統調用exec())
進程終止
當進程完成執行最後語句並且通過系統調用exit()請求操作系統刪除自身時，進程終止。
父進程終止子進程的原因有很多，如以下三種：
子進程使用了超過它所分配的資源(爲判定是否發生這種情況，父進程應有一個機制，以檢查子進程的狀態)。
分配給子進程的任務，不再需要。
父進程正在退出，而且操作系統不允許無父進程的子進程繼續執行。
級聯終止：
有些系統不允許子進程在父進程已終止的情況下存在。對於這類系統，如果一個進程終止，那麼它的所有子進程也應終止。這種現象，就叫做級聯終止。
當一個進程終止時，操作系統會釋放其資源。
不過，它位於進程表中的條目還是在的，直到它的父進程調用wait()，這是因爲進程表包含了進程的退出狀態。
當進程已經終止，但是其父進程尚未調用wait()，這樣的進程稱爲殭屍進程(zonbie process)。
所有進程終止時都會過度到這種狀態，但是一般殭屍只是短暫存在。一旦父進程調用了wait()，殭屍進程的進程標識符和它在進程表中的條目就會釋放。
如果父進程沒有調用wait()就終止，子進程就會稱爲孤兒進程(orphan process)。
進程間通信
操作系統內的併發執行進程可以是獨立的也可以是協作的。
如果一個進程不能影響其它進程或受其他進程影響，那麼該進程是獨立的。
顯然，不與任何其他進程共享數據的進程是獨立的。
如果一個進程能影響其他進程或受其他進程所影響，那麼該進程是協作的。
顯然，與其他進程共享數據的進程爲協作進程
提供環境允許進程協作，有很多理由與好處，如以下四種：
信息共享(information sharing)：由於多個用戶可能對同樣的信息感興趣(例如共享文件),所以應提供環境以允許併發訪問這些信息。
計算加速(computation speedup)：可以把一個任務分成多個子任務，每個子任務可以與其他子任務併發執行。
模塊化(modulrity)：可能需要按模塊化方式構造系統，可將系統功能分成獨立的進程或線程。
方便(convenience)：即使單個用戶也可能同時執行許多任務。
進程間通信(InterProcess Communication, IPC)機制 **
協作進程需要有一種進程間通信(InterProcess Communication,IPC)機制，以允許進程相互交換數據與信息。
進程間通信有兩種**基本模型：
共享內存(shared memory)
消息傳遞(message passing)
共享內存會建立一塊供協作進程共享的內存區域，進程通過向此共享區域讀出與寫入數據來交換信息
消息傳遞模型通過在協作進程間交換消息來實現通信
兩者的比較：
消息傳遞對於交換較少數量的數據很有用，因爲無需避免衝突。對於分佈式系統，消息傳遞也比共享內存更易實現。
共享內存可以快於消息傳遞。這是因爲消息傳遞實現經常採用系統調用，因此需要消耗更多時間以便內核介入。與此相反，共享內存系統僅在建立共享區域時需要調用系統調用，一旦建立共享內存，所有訪問都可以作爲常規內存訪問，無需藉助內核。
共享內存系統
採用共享內存的進程間通信，需要通信進程建立共享內存區域。
生產者－消費者問題
**生產者(producer)進程生產信息，以供消費者(consumer)**進程消費
解決生產者消費者的問題的方法之一是，採用共享內存。爲了允許生產者進程和消費者進程併發執行，應有一個可用的緩衝區，以被生產者填充和被消費者清空。這個緩衝區駐留在生產者進程和消費者進程的共享區域內。當消費者使用一項時，生產者可產生另一項。
生產者和消費者必須同步，這樣消費者和不會試圖消費一個尚未生產出來的項。
緩衝區類型分爲兩種：
無界緩衝區(unbounded-buffer)：沒有限制緩衝區的大小。
消費者不得不等待新的項，但生產者總是可以產生新項。
有界緩衝區(bounded-buffer)：固定大小的緩衝區。
對於這種情況，如果緩衝區爲空，那麼消費者必須等待。如果緩衝區已滿，那麼生產者必須等待。
消息傳遞系統
操作系統提供機制，以便協作進程通過消息傳遞功能進行通信。
這有三種方法，用於實現鏈路和操作send()/receive():
直接或間接的通信
同步或異步的通信
自動或顯式的緩衝
命名
直接通信(direct communication)
直接通信需要通信的每個進程必須明確指定通信的接收者或發送者。
send(p,message): 向進程P發送message
receive(Q,message)：從進程Q接收message
這種方案具有以下三種屬性：
在需要通信的每對進程之間，自動建立鏈路。進程僅需知道對方身份就可進行交流。
每個鏈路只與兩個進程相關
每對進程之間只有一個鏈路
這種方案展示了尋址的對稱性(symmetry)，即發送和接收進程必須指定對方，以便通信。
下面一種採用尋址的非對稱性(asymmetry)，即只要發送者指定接收者，而接收者不需要指定發送者。
send(P,message)：向進程P發送message
receive(id,message)：從任何進程，接受message，這裏變量id被設置成與其通信進程的名稱。
這兩個方案都有一定的缺點：生成進程定義的有限模塊化。
更改進程標識符可能需要分析所有其他進程定義，所有舊的標識符的引用都應被找到，以便修改成爲新標識符。
間接通信(indirect communication)
間接通信通過郵箱或端口來發送和接收消息。
郵箱可以抽象成一個對象，進程可以向其中存放消息，也可從中刪除消息，每個郵箱都有一個唯一的標識符。
一個進程可以通過多個不同郵箱與另一個進程通信
send(A, message)：向郵箱A發送message
receive(A, message)：從郵箱A接受message
這種方案有以下三種特點:
只有在兩個進程共享一個郵箱時，才能建立通信線路。
一個鏈路可以與兩個甚至更多進程相關聯。
兩個通信進程之間可有多個不同鏈路，每個鏈路對應於一個郵箱
下面舉一個問題:
假設進程P1，P2和P3都共享郵箱A，進程P1發送一個消息到A，而進程P2和P3都對A執行receive()。那麼哪個進程會收到P1發送的消息？
答案不是唯一的，取決於所選擇的方案：
允許一個鏈路最多與兩個進程關聯
允許一次最多一個進程執行receive()
允許系統隨意選擇一個進程以便接收消息(即P2和P3兩者之一都可以接收消息，但不能兩個都可以)
系統同樣可以定義一個算法選擇哪個進程是接收者，系統還可以讓發送者指定接收者
郵箱可以爲進程或操作系統擁有
如果郵箱爲進程所擁有(即郵箱是進程地址空間的一部分)，那麼需要區分所有者和使用者。當擁有郵箱的進程終止，那麼郵箱就會消失。任何進程後來向該郵箱發送消息，都會得知郵箱不存在。
如果郵箱爲操作系統擁有，那麼郵箱是獨立的，他不屬於某個特定進程。
同步
消息傳遞可以是阻塞(blocking)或非阻塞(nonblocking)，也稱爲同步(synchronous)或異步(asynchronous)。
發送接收有以下四種：
阻塞發送(blocking send)：發送進程阻塞，直到消息由接收進程或郵箱所接收
非阻塞發送(nonblocking send)：發送進程發送消息，並且恢復操作，不會等待
阻塞接收(blocking receive)：接收進程阻塞，直到有消息可用
非阻塞接收(nonblocking receive)：接收進程收到一個有效消息或空消息
不同組合的send()和receive()都有可能
緩存
不管通信是直接的還是間接的，通信交換的消息總是駐留在臨時隊列中。也就是緩存
隊列實現有三種方法:
零容量(zero capacity)：隊列的最大長度爲0，因此，鏈路中不能有任何消息處於等待，這種情況下，發送者應該阻塞，直到接收者接收到消息。
有限容量(bounded capacity)：隊列長度爲有限的n，因此最多隻能有n個消息駐留其中，如果在發送新消息時隊列未滿，那麼該消息可放在隊列中，且發送者可以繼續執行而不必等待。然而，鏈路容量有限，如果鏈路已滿，那麼發送者應該阻塞，知道隊列空間有可用的爲止。
無限容量(unbounded capacity)：隊列長度可以無限。因此，不管多少消息都可在其中等待。發送者從不阻塞。
總結與梳理
進程的概念和五種狀態
PCB的概念與包含進程的七種信息
進程調度與三種調度程序
進程創建到結束的過程