Processes¶

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3.1 进程概念¶

3.1.1 进程相关概念¶

进程就是运行中的程序。

一个进程包括：
- 代码段（test section）
- 程序计数器（PC）
- 栈（函数参数，局部变量，返回地址）
- 数据段（全局变量）
- 堆（动态分配）

易错点：

“程序”与“进程”不是完全等同：程序是静态文件；进程包含执行状态（PC、寄存器、内存映像等）。
堆与栈的用途与生命周期不同（堆是程序运行时动态分配，栈用于函数调用/返回）。
文本段和数据段的大小是固定的，因为它们的大小没法在程序运行时改变；而堆段和栈段的大小可在程序执行时动态伸缩。尽管栈段和堆段的扩张方向是朝向对方的，但 OS 会确保两者不会重叠。

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3.1.2 Heap Stack¶

Heap
- 完全二叉树
- 父节点的值必须大于/小于他的孩子
Stack
- 函数调用使用
- LIFO
- 固定起点（栈指针寄存器）
- push/pop 操作管理局部变量和返回地址
- 大小通常受限，自动分配/回收

Stack 易发生栈溢出（递归深或大局部数组），Heap 可能发生内存泄漏（malloc/new 后未释放）

各类变量属于哪里？

类型	示例	所在区域	生命周期	特点
局部变量	`int x=10;`（在函数内）	✅ 栈 Stack	随函数调用自动创建、返回后销毁	自动分配、速度快
函数参数	`void f(int n)` 中的 `n`	✅ 栈 Stack	与函数调用同步
返回地址 / 寄存器保存值	函数调用时保存的返回点	✅ 栈 Stack	由系统管理	实现函数调用机制
临时对象	`int y = x + f(z);` 中的中间值	✅ 栈 / 寄存器	执行结束即消失
全局变量	`int g = 5;`	✅ 数据段 Data	程序整个运行期存在	进程共享但线程安全性需注意
静态局部变量	`static int c = 0;`	✅ 数据段 Data	程序整个运行期存在	只初始化一次
未初始化全局变量	`int count;`	✅ BSS 段	程序整个运行期	系统自动初始化为 0
动态分配变量	`int p = malloc(10sizeof(int));`	✅ 堆 Heap	手动分配 / 手动释放	由程序员控制，若忘记释放则泄漏
C++ new 对象	`Person *p = new Person();`	✅ 堆 Heap	手动释放（delete）	new/delete 成对
字符串字面值	`"Hello"`	✅ 文字常量区（Text 的只读部分）	程序整个运行期	只读
函数代码	`main()`、`printf()`	✅ 代码段 Text	程序整个运行期	机器指令

3.1.3 进程状态¶

当一个进程运行时，他会改变状态：
- new: 创建中
- running: 正在 CPU 上执行
- waiting: 等待某事件（I/O、信号）
- ready: 可运行但未被分配 CPU（在 ready queue）
- terminated: 完成/退出

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3.1.4 Process Control Block (PCB)¶

PCB 包含信息

进程状态（state）
程序计数器（PC）
CPU 寄存器内容（通用寄存器）
CPU 调度信息（优先级、调度统计）
内存管理信息（页表/段表）
会计信息（CPU 时间、用户 ID）
I/O 状态（打开文件、设备表）

作用

操作系统通过 PCB 保存/恢复进程的全部执行上下文，支持上下文切换与调度。

易错点

PCB 存储的是进程的逻辑状态，不是进程所有的数据副本（数据在内存中）。PCB 通常位于内核空间。

3.2 进程调度¶

3.2.1 调度队列¶

Job queue: 系统内所有进程（包含未入内存等）
Ready queue: 已在内存、等待CPU执行
Device queues: 等待设备的进程（按设备分类）

Ready queue 和 I/O Device queues 示意图：

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进程调度的常用表示形式是队列图，圆形表示硬件资源，而箭头表示系统中的进程流，如下图所示：

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3.2.2 调度器¶

Long-term scheduler（作业调度）：决定哪些进程进入就绪队列。调用频率低（秒级）
Short-term scheduler（CPU调度）：决定哪个就绪进程获得CPU。调用频繁（毫秒级）
Medium-term scheduler（有时有）：用于交换（swawp out/in），调整多道程序度（挂起和恢复）

UNIX and Windows do not use long-term scheduling

3.2.3 上下文切换¶

切换进程需保存当前进程的 CPU 寄存器/程序计数器到 PCB，并把新进程的 PCB 寄存器加载到 CPU。
上下文切换是开销（系统不做用户工作），通常以毫秒计。
硬件支持（如寄存器组）可减少上下文开销。

3.3 进程上的操作¶

3.3.1 进程创建¶

父进程创建子进程，子进程又创建其他进程，形成进程树
资源共享
- 父进程和子进程共享所有资源
- 子进程共享父进程的部分资源
- 父进程和子进程不共享任何资源
执行
- 父进程和子进程并发执行
- 父进程等待子进程终止
地址空间
- 子进程复制父进程
- 子进程加载了一个程序
UNIX 示例
- fork 系统调用创建新进程
- fork 后使用 exec 系统调用，将进程的内存空间替换为新程序

fork() 的功能是：

创建一个与父进程几乎一模一样的子进程。

当调用 fork() 后，系统内部会发生三件事：

复制当前进程的地址空间（即把父进程的代码、数据、栈、堆等复制一份，或使用写时复制 COW 技术）；
为子进程创建新的 PCB（Process Control Block），并分配一个新的进程号（PID）；
让父子进程“从同一行代码之后继续执行”——也就是 fork() 调用之后。

调用位置	fork() 的返回值	含义
父进程中	> 0（子进程的 PID）	告诉父进程：新创建的子进程的 ID 是多少
子进程中	= 0	告诉子进程：你是子进程（fork 出来的）
错误时	< 0	fork 失败（例如资源不足）

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exec() 的功能是：

用一个新程序替换当前进程的代码和数据，继续执行新程序的 main()（不会回到旧代码）。

从系统角度看，exec() 并不会新建进程，而是：

清空当前进程的用户空间（旧的代码段、数据段、堆、栈统统丢掉）。
加载新的程序映像（例如 /bin/ls）到当前进程地址空间中。
重新初始化栈并设置程序入口点（main() 或 _start）。
跳转执行新程序的入口点。

C
int main() {
  pid_t pid;
  pid = fork();
  if (pid < 0) { /* error */ }
  else if (pid == 0) { /* child */ 
      execlp("/bin/ls","ls", NULL); 
      /* ??? 这里之后的语句还会执行吗？ */
      /* 答案是不会执行！ */
  }
  else { /* parent */ 
      wait(NULL); 
      printf("Child Complete"); 
      exit(0); 
  }
}

3.3.2 进程终止¶

进程执行最后一条语句并请求操作系统删除它（退出）
- 将数据从子进程输出到父进程（通过等待）
- 操作系统释放进程的资源
父进程可以终止子进程的执行（中止）
- 子进程已超出分配的资源
- 分配给子进程的任务不再需要
- 如果父进程正在退出
  - 某些操作系统不允许子进程在其父进程终止后继续运行
    - 所有子进程终止
    - 级联终止
  - 在某些操作系统中，子进程会变为孤儿进程

3.4 协作进程¶

3.4.1 协作进程¶

独立的进程不能影响或者被其他进程影响
协作的进程可以相互影响（共享数据、同步等）

协作进程的好处：

信息共享
计算加速（多CPU）
模块化
方便

3.4.2 Producer-Consumer（生产者-消费者）问题¶

经典同步问题：生产者产生数据放到缓冲区，消费者从缓冲区取数据。
两种缓冲策略：
- Unbounded buffer：无限大小（理论上），生产者几乎不用等待；现实中不可行。
- Bounded buffer：固定大小（BUFFER_SIZE）。若满则生产者等待；若空则消费者等待。

3.4.3 Round Table¶

生产者插入逻辑：

C
if ((in + 1) % SIZE == out) /* buffer full */ wait;
buffer[in] = item;
in = (in + 1) % SIZE;

消费者取出逻辑：

C
if (in == out) /* buffer empty */ wait;
item = buffer[out];
out = (out + 1) % SIZE;

问题：竞态产生的场景（示例）：如果多个进程/线程同时访问 in、out 或 buffer[]，且没有同步保护，则可能出现交错执行造成数据错乱或丢失。

3.5 进程间通信¶

TODO

3.6 客户端-服务器通信¶

TODO