Process Concept
简单来说，进程就是指正在执行的程序，执行并不一定是在运行（运行是进程的五状态之一）。
一个进程包括以下三个方面
- 程序计数器 (program counter)
- 堆栈段 (stack)
- 数据段 (data section)
程序包括代码段、当前活动（通过PC的值和处理器寄存器的内容来表示）、堆栈段（包括临时数据，如函数参数、返回地址和局部变量）和数据段（包括全局变量），可能还包括堆(heap)，进程在运行期间动态分配的内存。
如下图所示：
Process State
- new(创建): The process is being created
- running(运行): Instructions are being executed
- waiting(等待): The process is waiting for some event to occur
- ready(就绪): The process is waiting to be assigned to a processor
- terminated(终止): The process has finished execution
进程五状态表：
Process Control Block(PCB)
每个进程在操作系统内用进程控制块来表示，它包含许多与一个特定进程相关的信息。
- Process state: 包括创建、就绪、运行、等待、停止等
- Program counter: 表示进程要执行的下个指令的地址
- CPU registers: 进程所使用到的寄存器的信息，在中断时需要保存，以便进程以后能正确执行
- CPU scheduling information: 进程优先级、调度队列的指针和其他调度参数(进程调度讨论)
- Memory-management information: 基址寄存器和限址寄存器的值，页表或段表
- Accounting information(审计信息): CPU时间、实际使用时间、时间界限、审计数据
- I/O status information: 分配给进程的IO设备列表、打开的文件列表等
Process Scheduling
为了最大效率地利用CPU，进程调度选择一个可用的进程到CPU上执行。
Process Scheduling Queues(调度队列)
- Job queue – set of all processes in the system
- Ready queue – set of all processes residing in main memory, ready and waiting to execute
- Device queues – set of processes waiting for an I/O device
Processes migrate(迁移) among the various queues
注意，并没有执行队列这个说法，单CPU每次只有一个进程在被执行，不存在执行队列
新进程开始处于就绪队列。在就绪队列中等待直到被选中执行或被分派。当进程分配到CPU执行时，可能发生下面几种事件中的一种：
- 进程可能发出一个IO请求，并被放到IO队列中
- 进程可能创建一个新的子进程，并等待其结束
- 进程可能会由于中断而强制释放CPU，并被放回到就绪队列
Scheduler(调度程序)
进程在其生命周期中会在各种调度队列之间迁移。为了调度，操作系统必须按某种方式从这些队列中选择进程。进程选择是由相应的调度程序来执行的。
- 长期调度程序(long-term scheduler)：又叫做作业调度程序(job scheduler)从存放”进程”的大容量存储设备的缓存池中选择进程，并加载进内存准备执行，一般与进程的创建相关。此处，个人的理解是作业调度程序是将作业队列(job queue)中的进程调度到就绪队列中。
- 短期调度程序(short-term scheduler)：又叫做CPU调度程序，从准备执行的进程(在就绪队列中)中选择进程，并为之分配CPU。
- 中期调度程序(medium-term scheduler)：核心思想是能将进程从内存中移出，从而降低多道程序设计的程度。之后，进程能被重新调入内存，并从中断处继续执行。这种方案称为交换(swapping)
长期调度程序被调用的频率比较低，短期调度程序被调用的频率比较高
Context Switch(上下文切换)
将CPU切换到另一个进程需要保存当前进程的状态（保存在PCB中）并恢复另一个进程的状态，这一任务称为上下文切换
Operations on Processes(进程操作)
进程创建(Process Creation)
进程在其执行过程中，能通过创建进程系统调用创建多个新进程。创建进程称为父进程，而新进程称为子进程。每个新进程可以在创建其他进程，从而形成了进程树。
创建进程的两种可能：
- 父进程与子进程并发(concurrently)执行
- 父进程等待，直到某个或全部子进程执行完
新进程的地址空间的两种可能：
- 子进程是父进程的复制品（具有和父进程相同的程序和数据）
- 子进程装入另一个新程序
资源共享：
- 父进程和子进程共享所有资源
- 父进程分配一部分资源给子进程
- 父进程和子进程没有共享资源
进程终止(Process Termination)
当进程完成执行最后的语句并使用系统调用exit()请求操作系统删除自身时，进程终止。这是，进程可以返回状态值到父进程。所有进程资源被操作系统释放。
父进程终止子进程的原因：
- 子进程使用了超过它被分配的一些资源
- 分配给子进程的任务已不再需要
- 父进程退出，如果父进程退出，操作系统不允许子进程继续，这称为级联终止(cascading termination)
Interprocess Communication(进程间通信IPC)
独立进程：一个进程不能影响其他进程或被其他进程所影响
协作进程：系统中一个进程能影响其他进程或被其他进程所影响
优点：
- 信息共享
- 提高运算速度
- 模块化
- 方便
Cooperating Processes(协作进程)
生产者-消费者问题是协作进程的通用范例。生产者进程产生信息以供消费者进程消费。
为了允许生产者进程和消费者进程能并发执行，必须要有一个缓冲来被生产者填充并被消费者所使用。此缓冲驻留在生产者进程和消费者进程的共享内存区域内，当消费者使用一项时，生产者能产生另一项。生产者和消费者必须同步，以免消费者消费一个没有生产出来的项。
缓冲主要存在两种：
- 无限缓冲(unbounded-buffer)：对缓冲大小没有限制。消费者可能不得不等待新的项，但生产者总是可以产生新项
- 有限缓冲(bounded-buffer)：缓冲固定，若缓冲为空，消费者必须等待；若缓冲为满，生产者必须等待
通信模型
左图表示消息传递模型；右图表示共享内存模型。
共享内存系统
生产者-消费者问题，通过缓冲来实现。
消息传递系统
消息传递是由操作系统提供机制，让协作进程能通过消息传递工具来进行通信。消息传递工具提供至少两种操作：发送和接受。
send(),receive()操作方法：
- 直接或间接通信
- 同步或异步通信
- 自动或显式缓冲
直接或间接通信
对于直接通信，需要通信的每个进程明确地命名通信的接受者或发送者。
直接通信的通信线路具有如下特点：
- 在需要通信的每对进程之间自动建立线路。进程只需要知道相互通信的标识符。
- 一个线路只与两个进程相关。
- 每对进程之间只有一个线路。
这种方案展示了对称寻址，即发送和接受进程必须命名对方以便通信。另外有非对称寻址，即只要发送者命名接受者，而接受者不需要命名发送者。也就是单向和双向的区别。
间接通信：通过邮箱或端口来发送和接受信息。邮箱可以抽象成一个对象，进程可以向其中存放消息，也可以从中删除消息，每个邮箱都有一个唯一的标识符。
间接通信的通信线路具有如下属性：
- 只有在两个进程共享一个邮箱时，才能建立通信线路。
- 一个线路可以与两个或更多的进程相关联
- 两个通信进程之间可有多个不同的线路，每个线路对应于一个邮箱
同步和异步通信
消息传递可以是阻塞(block)或非阻塞 —— 也称为同步或异步
- 阻塞send：发送进程阻塞，直到消息被接收或被邮箱所接收
- 非阻塞send：发送进程发送消息并继续操作
- 阻塞receive：接受者阻塞，直到有消息可用
- 非阻塞receive：接受者收到一个有效消息或空消息
自动或显式缓冲
不管通信是直接的或是间接的，通信进程所交换的消息都驻留在临时队列中。
- 零容量：线路中不能有任何消息处于等待，必须阻塞发送，直到接收者接收到信息。
- 有限容量：队列长度为有限的n，最多只能有n个消息驻留其中，若未满，可以接收新消息，且发送者可继续执行不必等待。若容量已满，必须阻塞发送直到队列中的空间可用为止。
- 无限容量：队列长度无线，从不阻塞发送者
零容量情况称为没有缓冲的消息系统，其他情况称为自动缓冲。
共享内存和消息传递两种方式对比
消息传递对于交换较少数量的数据很有用，因为不需要避免冲突。对于计算机间的通信，消息传递也比共享内存更易于实现。共享内存允许以最快的速度进行方便的通信，在计算机中可以达到内存的速度。共享内存比消息传递快，消息传递系统通常用系统调用来实现，因此需要更多的内核介入时间消耗。与此相反，在共享内存系统中，仅在建立共享内存区域时需要系统调用，一旦建立了共享内存，所有的访问都被处理为常规的内存访问，不需要来自内核的帮助。
