文章目录

• 一、初识操作系统
• 二、什么是进程(Process)
• • 1, 什么是并行和并发
• 三、进程管理
• • 1. 描述一个进程
  • 2. 组织多个进程
• 三、内存管理
• • 1, 物理地址空间分配
  • 2, 虚拟地址空间分配
• 四、进程间通信(IPC)
• 总结

提示: 是正在努力进步的小菜鸟一只，如有大佬发现文章欠佳之处欢迎评论区指点~ 废话不多说，直接发车~

一、初识操作系统

📌操作系统是一组做计算机资源管理的软件的统称。目前常见的操作系统有：Windows系列、Unix系列、Linux系列、OSX系列、Android系列、iOS系列、鸿蒙等

操作系统在计算机中的定位:

📌操作系统有两方面作用 :
1️⃣要防止硬件被应用程序滥用, 也就是要 (对下) 管理好硬件设备
2️⃣向应用程序提供简单一致的机制来控制复杂而又通常大相径庭的低级硬件设备, 也就是要 (对上) 给软件提供稳定的运行环境

操作系统本身是一个复杂的话题, 它的功能很多, 同时也是一门庞大的学科

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下面只讨论操作系统中重要的功能模块 : 进程管理
首先要了解什么是进程, 再讨论进程管理

二、什么是进程(Process)

每个应用程序运行于现代操作系统之上时，操作系统会提供一种抽象，好像系统上只有这个程序在运行，所有的硬件资源都被这个程序在使用。这种假象是通过抽象了一个进程(也称作任务 Task) 的概念来完成的，进程可以说是计算机科学中最重要和最成功的概念之一

📌进程是操作系统对一个正在运行的程序的一种抽象，换言之，可以把进程看做程序的一次运行过程

📌简单来说 : 一个执行 (运行起来) 的程序, 就是一个进程 / 任务
例如图中, JDK文件夹中后缀为 " . exe" 的文件 就是一个可执行程序, 双击之后运行起来, 计算机系统中就形成了一个 进程

进程运行的过程中, 肯定是需要占用资源的, 首先记下一个重要概念 : 进程是操作系统进行资源分配的基本单位❗️❗️

占用的资源包括但不限于内存, 硬盘, CPU 等

1, 什么是并行和并发

📌程序运行起来(进程), 是依靠 CPU 的, 每个程序, 可以理解为一组二进制指令的集合

📌CPU 中有一个重要感念: 核心数

买电脑时, 经常会看到一个参数是 CPU 为几核几线程
拿 8 核 16 线程的 CPU 举例, 意思就是: 内核(物理核心)为 8 , 逻辑处理器(逻辑核心)为 16, 核心数 = 逻辑核心 = 16

👉8 个物理核心, 16 个逻辑核心的意思就是: 一个核心能干俩核心的活 ---- 一个顶俩 ! !

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理解了核心数这个概念, 来看什么是并行和并发
🔎并行 : 在同一时刻, 两个核心上执行两个进程, 此时这两个进程就是 并行 执行
🔎并发 : 一个核心上, 先执行进程A, 再执行进程B, 再执行进程A… 两个进程快速切换, 此时只要切换速度够快, 看起来就是同时执行两个进行

CPU 的性能是很 diǎo 的, 并发时的切换进程的速度巨巨巨巨巨巨巨快, 程序员根本感知不到
并行和并发都是操作系统自己控制的, 程序员也感知不到

为什么要引出并行和并发的概念呢? 我们打开任务管理器 :

此时我的电脑上看似只运行了浏览器, 微信, 任务管理器这三个进程, 实际上后台还有很多看不懂的进程, 加起来就有 90 个

假设我的 CPU 的核心数是 16 个, 平均每个核心都要执行 5 个进程, 如果电脑同时运行的程序更多, 平均每个核心执行的进程就更多

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如果每个核心只执行 1 个进程, 没什么需要关心的, 如果每个核心要执行很多个进程, 就需要管理这些进程, 以及通过 并行 + 并发 的方式完成执行

三、进程管理

📌进程管理(调度) ---- CPU资源的分配 : 不同的进程在不同的时间段去使用 CPU 资源

进程是如何管理的 ? 分为两步 :

1️⃣首先描述一个进程 : 使用 结构体 / 类 来表示一个进程有哪些信息 / 属性
2️⃣其次组织多个进程 : 使用 数据结构 把 结构体 / 对象 存储, 组织起来

形如之前写过的图书管理系统, 无非就是描述每本书的信息, 然后把这些书利用数据结构组织起来
或者学生管理系统, 无非就是描述每个学生的信息,然后把这些学生利用数据结构组织起来

1. 描述一个进程

进程的 结构体 / 类 称作 PCB(process control block) 进程控制块, 其中的属性有很多, 下面介绍其中的几个重点 :

1️⃣第一个 : pid👉一个唯一整数, 表示一个进程唯一的 “身份标识”

2️⃣第二个 : 内存指针👉记录一个进程使用的内存地址

3️⃣第三个 : 文件描述符表👉硬盘上存储的数据, 通常是以文件为单位, 进程每次使用硬盘资源(打开文件), 就会生成一个文件描述符, 而一个进程通常会打开很多文件, 就会生成一组文件描述符, 从而形成文件描述符表

内存指针表示进程运行时使用了哪些内存资源
文件描述符表表示进程运行时使用了哪些硬盘资源

4️⃣第四个: 一组用来辅助进程调度的属性, 包括 :

1. 进程的状态 👉分为两种: 就绪态和阻塞态
   就绪态 : 该进程已经准备好随时可以执行
   阻塞态 : 该进程暂时无法执行
2. 进程的优先级 👉 多个进程执行的先后顺序不是公平的, 有些进程需要优先执行
3. 进程的上下文 👉 并发执行时, 进程之间会切换调度, 这就需要记录每个进程离开时的中间信息(CPU中寄存器的值), 相当于"存档", 当该进程回来时, 进行"读档", 继续执行
4. 进程的记账信息 👉 用来统计每个进程执行的时间, 作为调度的参考, 毕竟不能让某个进程一直执行从而"冷落"其他进程

2. 组织多个进程

操作系统组织多个进程使用的数据结构一般是双向链表, 每个结点就是PCB(进程控制块)

不难理解 :
1️⃣创建一个进程就是在双向链表中新增一个结点
2️⃣销毁一个进程就是在双向链表中删除一个结点
3️⃣遍历所有进程列表就是遍历双向链表(例如任务管理器中看到的所有进程, 就是遍历进程列表后, 依次显示这些进程信息)

三、内存管理

📌内存管理 ---- 内存资源的分配 : 不同进程使用内存中的不同区域，多个进程之间不会相互干扰(独立性 / 隔离性)

操作系统对进程分配的内存空间是"虚拟内存"✅, 而不是真实的物理内存❌

1, 物理地址空间分配

👉这种方式分配内存空间: 进程可以直接访问真实内存地址

很直接很方便, 但有一个很严重的问题, 就是因为进程可以直接访问内存地址, 如果 进程 A 存在 野指针bug 或 数组越界bug, 进程 A 就有可能无拘无束的访问进程 B 的内存空间❗️❗️

❌这种方式的弊端就是不能保证进程的稳定性, 是不安全的, 因此操作系统采用 “虚拟内存” 分配的方式

2, 虚拟地址空间分配

1️⃣先给每个进程分配一个虚拟内存地址(允许多个进程的虚拟内存地址相同, 如图)
2️⃣操作系统通过 “页表” (一种数据结构) , 翻译成真实的内存地址
3️⃣映射到物理内存上, 如图所示 :

进程只知道自己操作的"虚拟内存"那一部分, 实际上操作系统一顿暗箱操作, 整到物理内存地址上, 进程根本感知不到物理地址在哪

👉这种方式分配内存空间: 进程不能直接访问真实内存地址, 他也根本不知道地址在哪

⚠️⚠️⚠️注意 :
此时, 进程中的任何一个内存操作, 都需要经过页表的检查 ❗️❗️
如果 进程 A 存在 野指针bug 或 数组越界bug, 页表检查出来不存在这个地址, 就无法进行翻译, 就访问不到任何的真实物理地址 ❗️❗️

✅采用虚拟地址的分配方式最大的好处就是能够校验当前的地址是否有效, 当然还有其他的好处, 暂不讨论

总之 : 采用虚拟地址的分配方式, 能够保证多个进程的稳定性, 能够体现出进程的独立性 / 隔离性

四、进程间通信(IPC)

📌什么是 进程间通信(Inter Process Communication) :
上面说过 : 进程是系统资源分配的最小单位, 并且进程之间具有隔离性, 各个进程之间也无法感知到对方的存在
但如果要完成一个复杂的业务需求，往往无法通过一个进程独立完成，总是需要进程和进程进行配合 , 因此，进程之间就需要"信息交换"

📌为什么 要有进程间通信 :
如果进程之间没有隔离性, 进程之间直接访问对方的内存即可, 但是为了防止 bug, 就需要在保证隔离性的前提下, 进行 “信息交换”

📌进程间通信 的原理 :
既然两个进程之间无法直接交互, 那就找一块公共区域, 两个进程在这一块区域内完成 “信息交换”

📌目前，主流操作系统提供的进程通信机制有: 管道, 消息队列, 共享内存, 信号等等, 但 Java 中主要使用文件, socket 这两种方式完成进程间通信, 以后会详细介绍

总结

以上就是关于进程的相关内容, 主要介绍了
1️⃣什么是进程 : 说白了就是一个执行起来的程序
2️⃣进程管理 : 首先描述一个进程 , 然后用数据结构组织多个进程

两个重要概念
1️⃣进程是操作系统进行资源分配的基本单位
2️⃣进程之间具有隔离性

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上山总比下山辛苦
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