前言

这个系列是《操作系统导论》的读书笔记。力求简洁、清晰、易懂。

1.OS

Operating System,位于硬件与上层应用之间一种特殊的软件，它负责提供硬件的抽象，与上层应用直接沟通，确保整个系统维持在一个高效稳定的状态。构建它要考虑多个方面的因素，分别是抽象，高性能，可靠性 ，安全，能耗。在移动设备盛行的今天，还需要考虑操作系统的可移植性。

抽象：作为操作系统中最基本的一个目标，它的功能是让操作系统便于理解和使用，因此操作系统引入诸如“进程”，“文件”，“虚拟存储器”的抽象概念，使得用户编写应用程序时只考虑相应的抽象接口即可，无须了解硬件设备的底层原理。如图1-11所示。

高性能：在其他要求满足的情况下，操作系统在运行时应尽可能地减少开销，包括时间上（更少的指令）和空间上（更少的内存和磁盘）。

可靠性：所有的应用程序都运行于操作系统之上，这要求OS必须足够可靠以保证应用程序的顺利运行。

安全：应用程序之间并发运行，要求OS能控制它们的边界和行为。当有应用程序突破了OS的"封锁"，对其他应用程序或者对OS造成了恶意影响时，OS能将影响降低到最低。

图1-11

OS的功能可分为三个部分，虚拟化(virtualization)，并发(concurrency)，持久性(persistence)。

2.虚拟化

CPU虚拟化：为满足不同程序对CPU资源的要求，操作系统将CPU虚拟化成了多个虚拟CPU，以进程的视角来看，就好像是自己一直在占用一个物理CPU一样。

上述OS使用的技术被称为“时分共享”，它给每个进程分配一个独占CPU的时间片，计时结束后CPU切换到下一个进程运行，这能让OS运行多个并发进程。但它也不可避免的带来了一些额外开销，因为进程切换需要额外的时间和空间以保存进程的相关信息，以便此进程后续运行时能够恢复。这个过程称为上下文切换(context switch)。

实现虚拟化需要低级的机制（mechanism）和高级的策略（policy）相互协作。机制是低层的协议或者方法，它属于战术层次，表示虚拟化的步骤具体应该怎么实现，上文中的时分共享就是一个具体的实现方法。策略是OS作出决策的算法，属于战略层次，它聚焦于某一时间段应该对哪个进程提供虚拟CPU才能使得系统运行状态较好。操作系统使用进程的调度策略充当这一角色。分离机制与策略的模块化做法可以提高系统的鲁棒性，需要修改策略时可以不用改变机制的实现。

具体阐述虚拟化的过程离不开操作进程。首先对进程的相关知识进行盘点。

3.进程

顾名思义，进程即“进行中的程序”，它是CPU、内存、I/O设备的抽象表示，是操作系统对正在运行的程序的一种抽象。“进程”概念的出现使得操作系统能够将程序的状态信息和行为信息具体化，并追踪系统内部动态变化的规律，为多道程序处理打下了基础。

进程：一个具有一定独立功能的程序关于某个数据集合的一次运行活动。它是操作系统进行资源分配和动态执行的基本单元。

操作系统引入进程的概念的原因:

从理论角度看，是对正在运行的程序过程的抽象；

从实现角度看，是一种数据结构，目的在于清晰地刻画动态系统的内在规律，有效管理和调度进入计算机内存运行的程序。

进程是一个实体。每一个进程都有它自己的地址空间，一般情况下，包括文本和堆栈（stack region）。文本区域存储处理器执行的代码；数据区域存储变量和进程执行期间使用的动态分配的内存；堆栈区域存储着活动过程调用的指令和本地变量。第二，进程是一个“执行中的程序”。程序是一个没有生命的实体，只有处理器赋予程序生命时（操作系统执行之），它才能成为一个活动的实体，我们称其为进程。

3.1 特征

3.2 构成

进程由程序、数据、进程控制块(PCB,processing control block)三部分组成。其中进程控制块(PCB)是系统为了管理进程设置的一个专门的数据结构。系统用它来记录进程的外部特征，描述进程的运动变化过程。同时，系统可以利用PCB来控制和管理进程，创建进程即创建进程的PCB，撤销进程即撤销进程的PCB，所以说，PCB（进程控制块）是系统感知进程存在的唯一标志。

3.3 API

上文说过进程是对运行程序的抽象，那么它必然对外提供了接口，让用户在无需了解其内部具体实现的情况下实现对进程的相关操作。

• 创建 (create)

通过fork()和exec()这样一对系统调用来创建新进程，其中fork()用于在一个进程中创建子进程(child)。原来的进程称为父进程。int process_child=fork();子进程创建完毕，但并不是创建完毕后就立即运行子进程，这依赖于OS的调度策略。

由于在子进程复制了父进程的堆栈段，所以两个进程都停留在fork函数中，等待返回。因此fork函数会返回两次，一次是在父进程中返回，另一次是在子进程中返回，这两次的返回值是不一样的。如果运行父进程，此时fork()返回的值是新创建的子进程的进程描述符PID（process identifier）。如果运行的是子进程，它地址空间中的代码不会包含fork()之前的代码，因此子进程从fork()之后的代码开始运行，此时fork()返回的值是0，就好像是子进程调用了自己一样。其实就相当于链表，进程形成了链表，父进程的fork函数返回的值指向子进程的进程id, 因为子进程没有子进程，所以其fork函数返回的值为0。fork()根据父或子进程返回不同值，这样很容易编写出考虑两种不同条件的代码——使用if else。

大多数时候我们运行的子进程都需要完成与父进程不同的任务，这就需要在fork()的基础上利用系统调用exec()。虽然理论上我们也能在if(process_child)==0的代码下自己手动实现各种功能，但exec()的出现极大降低了重复造轮子的成本，大部分的程序我们拿来就能用。这是通过给exec()传递可执行程序的名称及相应的参数（如文件名，数据，环境变量等）实现的。exec()是execute的缩写，linux的shell中可使用它来执行其他命令。

注意exec()是一个函数簇，它有多种函数。调用exec()并没有创建一个新进程，而是将执行程序的代码和静态数据以及堆、栈和内存空间覆盖到原进程中，但进程的标识符pid不变。一旦调用exec()之后，原代码中exec()之后的代码不会被执行，因为此时进程已经彻底改头换面，原进程中的代码段都已被覆盖了。

进程创建的具体过程

通过系统调用我们能直接创建进程，这是在利用进程的API。进程创建的具体过程如下：OS首先找到磁盘上程序的位置，将其代码段和静态数据加载到内存中，这个加载过程被称为惰性加载，即程序执行时需要加载的代码才会加载。同时为程序运行栈和堆分配内存，后者需要通过显示请求如malloc()来完成，并执行与I/O设置相关的操作。这一切完成之后，OS将从main()函数开始执行，进程获得CPU的独占权。

• 等待
  因为无法判断父进程和子进程谁先返回，但有时候父进程需要等待子进程先完成，这时父进程就用wait()调用来控制，OS将CPU的使用权移交给子进程。

• 销毁

• 其他控制

• 状态

3.4进程状态

既然进程是动态运行的，它肯定也逃不过“生老病死”。具体来说，进程主要有以下几种状态。

状态	说明
运行 running	进程占用CPU，执行指令
就绪 ready	进程已准备好占用CPU，由于某些原因OS暂时没有给予它使用权
阻塞 blocked	进程在进行另外的操作，无需使用CPU的一种状态，此时CPU的使用权不能分配给它，以免造成资源浪费。常见于进程进行I/O操作时，在完成此操作后，进程才会转为就绪状态，拥有使用CPU的资格

五态模型

3.5 数据结构

操作系统抽象出多种概念以保障其平稳高效地运行。这些“抽象”的具体实现通常是c语言中定义的一个结构体，即一个数据结构，其中包含了各种变量和指针。

进程在具体实现时作为一种数据结构，主要包含了下列信息：

• 寄存器状态（上下文信息）
• 进程自身状态（枚举变量）
• 进程内存分配起始地址和大小
• 内核栈的起始地址
• 进程ID
• 指向父进程的指针
• 指向中断结构的指针
• 指向当前打开文件和目录的指针

4.总结

OS离不开虚拟化，而虚拟化离不开对进程的处理，上文对进程的各项信息做了一个简单的介绍。在此基础上，下篇笔记将要对虚拟化的具体实现——低级机制(上下文切换)和高级策略(进程调度策略)进行一个全面的盘点。