深入理解操作系统的内部运作：进程、线程与基本操作

### 深入理解操作系统的内部运作：进程、线程与基本操作 #### 1. 系统复位与初始加载 在系统执行复位操作后，初始程序加载（IPL）会执行类似于启动 I/O 通道命令的操作。由于内存可能已被重置为零，首个通道命令字并非从内存读取，而是使用内置的读取命令，将 IPL 通道程序读入内存以供执行。随后，IPL 通道程序会读取相应的操作系统代码，并将控制权转移给它。 #### 2. 进程的概念 在多任务系统中，将每个执行任务视为一个程序是一种直观的理解方式，但这种表述不够全面、精确和通用。更有用的定义是将每个执行任务看作一个进程。进程包含一个程序以及在执行该程序时所关联的所有资源，这些资源可能包括分配给特定进程的 I/O 设备、键盘输入数据、已打开的文件、用作 I/O 数据缓冲区或堆栈的内存、分配给程序的内存、CPU 时间等。 从另一个角度看，进程是正在执行的程序。程序是被动的，例如一个文件或列表；而进程是主动的，它正在被处理或执行。 在批处理系统中，用户向系统提交作业进行处理。作业由作业步骤组成，每个步骤代表一个单独的任务。当作业被系统接纳时，会为该作业创建一个进程。作业中的每个任务也代表着进程，具体来说，是在作业的每个步骤执行时创建的进程。在实际应用中，“作业”“任务”和“进程”这几个术语常可互换使用。 程序和进程的区别在日常交流中通常不太重要，但从操作系统的角度来看，这种区别可能非常显著。例如，大多数现代操作系统能够让多个进程同时共享一个程序的单个副本，如编辑器。每个进程都有自己的文件和数据，这样可以节省内存空间，因为只需要一个程序副本，而不是多个，从而提高了系统的性能。 每个进程可能在程序的不同部分运行，因此在执行过程中，每个进程会维护不同的程序计数器值和不同的数据。每个进程都有自己的空间来存储寄存器值，以便进行上下文切换。 即使在单用户系统中，多个进程也可能共享程序代码。例如，生成 Windows 界面的程序代码会被屏幕上所有打开窗口的进程共享。每个进程都有自己的数据，如窗口的坐标、指向该窗口菜单结构的指针等。 对于操作系统而言，基本的工作单元是进程。当一个进程被系统接纳时，操作系统负责其操作的各个方面。具体如下： - 为进程分配初始内存，并确保在进程需要时始终有可用的内存。 - 分配必要的文件和 I/O 设备，并提供堆栈内存和缓冲区。 - 为进程安排 CPU 执行时间，并在各个执行进程之间进行上下文切换。 - 维护进程的完整性。 - 当进程完成执行时，有序地终止进程，并恢复系统设施和资源，以便供其他进程使用。 进程可分为独立进程和协作进程。独立进程不需要与其他进程进行交互；而在现代系统中，许多进程会协同工作，它们会共享信息和文件。大型任务通常会被模块化，拆分为子任务，每个进程只处理任务的一个方面。操作系统为相关进程之间的同步和通信提供了机制。 为了跟踪内存中同时执行的不同进程，操作系统会为系统中的每个进程创建并维护一个数据块，称为进程控制块（PCB）。PCB 包含了关于进程的所有相关信息，是操作系统各个模块执行与进程相关功能时使用的核心资源。 一个典型的 PCB 包含以下内容： | 内容 | 说明 | | ---- | ---- | | 进程标识 | 唯一标识该进程的名称或编号，如 Linux 中的 PID | | 指向其他相关进程的指针 | 便于相关进程之间的通信 | | 进程状态指示 | 如 MINOS 中的非活动、就绪、阻塞和运行状态 | | 程序计数器和寄存器保存区 | 用于保存和恢复 CPU 的精确上下文 | | 内存限制 | 确定进程可以访问的合法内存区域 | | 优先级和会计信息 | 用于操作系统的调度和计费目的 | | 指向共享程序代码、数据、打开文件和其他资源的指针 | 简化 I/O 和文件管理系统的任务 | 在 MINOS 中，进程控制块相对简单，只需要跟踪程序计数器和一对寄存器值，以便暂停和重启进程，以及记录程序的状态和优先级。由于 MINOS 将内存划分为固定大小的分区，每个分区正好有一个进程和一个 PCB，因此操作系统甚至不需要跟踪进程的内存限制。 而在大型系统中，进程控制要复杂得多。可能会有更多的进程，对可用内存和各种 I/O 资源的竞争更激烈，不同进程之间可能有通信需求，调度和分派也更加困难。系统的复杂性要求存储更多关于进程的信息，并对进程操作进行更正式的控制。 #### 3. 进程的创建 当你发出请求执行程序的命令时，无论是通过双击图标还是输入适当的命令，都会创建一个进程。在交互式系统中，进程创建是操作系统的基本任务之一。计算机系统中的进程不断地被创建和销毁。 几乎任何输入到多任务交互式系统的命令通常都会创建一个进程。例如，登录操作也会创建一个进程，因为登录需要提供一个作为用户界面的程序，它会给出提示或图形用户界面（G