操作系统学习笔记4 | CPU管理 && 多进程图像

操作系统的核心功能就是管理计算机硬件，而CPU就是计算机中最核心的硬件。而通过学习笔记3的简史回顾，操作系统通过多进程图像实现对CPU的管理。所以多进程图像是操作系统的核心图像。

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参考资料：

• 课程：哈工大操作系统（本部分对应 L8 && L9）
• 实验：操作系统原理与实践_Linux - 蓝桥云课 (lanqiao.cn)
• 笔记：操作系统学习导引 · 语雀 (yuque.com)

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1. 从使用CPU开始直观理解CPU管理

要想管理CPU，就要知道如何使用CPU。

CPU的工作原理已经很熟悉：

• 取指执行
  • 程序存放在内存中，每段指令对应一个地址
  • CPU发出取指命令，将想去地址通过地址总线传到PC
  • 内存根据地址取出对应地址的指令
  • 从总线传回，CPU解释执行

所以，管理CPU最直观的方法就是，设置PC的初值，CPU就能按照规则依次执行下去。

这一点在计组实验的前四周手摇实验室设备进行指令执行，也可以有类似的印象。

这样做有什么问题？

• 来看下面一段程序

  int main(int argc,char* argv[]){
      int i,to,*fp,sum=0;
      to = atoi(agv[1]);
      for(i = 1; i <=to; i++){
          sum = sum + i;
          fprintf(fp,"%d",sum);
      }
  }
  

• 如果要让CPU工作，就是要让PC指向这段程序的起始地址。

• 但是！程序和程序之间是不一样的。例如将fprintf()替换为其他计算语句

  fprintf()是一个IO指令，而替换为计算语句则成为计算指令

• 替换前后的运行时长进行比较，则前者:后者≈10⁶:1

  说明，IO特别慢

• 而假设我们遇到一种程序，有10⁶个计算指令，然后一条IO指令，如果还是按照上面所说的设置PC初值，让其自动执行，那么对于CPU来说，其忙碌的计算指令只占到了总时长的一半（另一半在等待IO），利用率不高。

  而如果IO语句再多一点，CPU利用率就更低了。

怎么办？

2. CPU管理的核心：并发

• 举一个烧水的例子，首先往烧水壶里倒水，然后放在插座上，然后就可以去做别的事情了，等烧水壶响了，这就是中断，这时我们就可以来用烧水壶里的热水了，烧水的过程就类似IO

• 所以解决方案为：多道程序交替执行，一个CPU上交替执行多个程序，即并发

  这样一道程序执行到像IO这样慢的步骤时，CPU切换到另一个程序进行，而另一个程序进入等待后，再切换回来。

可见，上图两个程序A、B充分利用了CPU的计算资源，总时长从80降到了45.

注意两个名词：并行和并发：

并行多人同时工作，并发一个人交替工作。

并且这里一个隐含条件是切换程序的开销要小于运行程序的开销。

如何实现并发呢？

• 即控制 PC 进行切换

• 适当的时候修改PC，使得PC指向另一个程序的指令，但是只修改PC会有问题

• 例如下图左右两个程序，当PC按照逻辑切换回地址53继续程序1的执行，那么ax和bx寄存器应当存储什么值？

  很显然，如果要继续程序1，当然应当为1 和 1，而不是 10 和 10.

  所以当程序切换时，除了切换PC，还要切换很多内容

• 我们需要记录 切换前的上下文，保护现场。

• 每个程序有一个存放信息的结构：PCB，process control block，进程控制块。

  就像我们正在看书，突然被人叫走做别的事，我们就应当停下来，记录当前页码以及故事情节，然后离开，这样回来后才能继续阅读。

  

• 这样，我们实际运行过程中的程序，就跟我们单纯汇编得到的代码不一样了。即运行程序和静态程序不一样。

  不同之处简单来说就在于需要PCB来记录程序运行起来的样子。

  而程序 + 所有这些不一样 ---> 进程

• 如何描述这种不同呢？

!进程! 这个概念就用来刻画运行中的程序。比如上图中的程序1 和程序2，就是两个进程。

也即进行中的程序，名字其实很形象。

• 进程有开始、结束，程序没有；
• 进程会走走停停，是动态的，有状态的，而程序没有；
• 进程需要记录ax,bx..... 程序不用；

3. 简单总结1

• 到这里，我们进程描述CPU的管理：

  • 使用CPU：启动一个进程，让CPU去执行这个进程；

  • 更高效的使用CPU：启动多个进程，让CPU去执行多个进程；

  • 跑多个程序/进程的样子，就是CPU管理的核心样子。

    这就是多进程图像。

4. 多进程图像

前文讲到，为了让CPU更好的工作，我们需要让CPU执行多进程，而这个过程如何表征呢？

• 对于用户而言
  • 就是一个个 PID 进程号；
  • 可供用户查看各进程运行情况；
• 对于下层操作系统而言
  • 负责管理 各个进程；具体为记录情况、按照合理的次序推进；
  • 分配资源、进行调度；

多进程图像从开机一直存在到关机结束。

4.1 开机到关机过程中的多进程图像

• 系统启动时，最后启动的 main.c 中最后执行了fork()

  if(!fork()){init();}
  // fork,启动进程的接口
  

  代码意思是：启动一个进程，执行init() ，即执行 shell，接下来就能再 shell 里操作，这就是计算机提供给用户使用的界面（初代版本）。

  可以理解为，操作系统要让用户使用计算机，需要创建一个初始化的进程。

  补充1：

  shell是一个子进程，父进程（main函数）因为成功创建子进程，所以fork()>0 不进init 而子进程fork()==0 进入init，启动shell

  补充2：

  fork()函数返回值是0或1， 返回0代表当前进程是新fork出来的子进程， 非零（也就是为1）代表当前进程为父进程， if条件里的就是父进程的逻辑，一直等待用户输入命令， 然后执行， 一直重复进行

• shell 再根据用户输入启动其他进程，执行用户的命令也是在创建进程；

  // shell 的核心代码
  int main(){
      while(1){
          scanf("%s",cmd);
          if(!fork()){
              exec(cmd);
              wait();
          }
      }
  }
  

  

• 此后，计算机每执行一个任务，就开启一个进程。

4.2 查看当前进程情况 | 任务管理器

在 win10 以上版本中，Ctrl + Shift + Esc 就可看到任务管理器。

• 其中Explorer是整个Windows的文件系统，如果关掉整个进程，就只能看见背景了。
• 如果感觉计算机特别慢，就可以打开任务管理器，查看占用CPU资源比例大的进程。
• 操作系统就是通过管理进程，来管理用户对计算机的使用。

4.3 操作系统如何实现多进程图像

为了实现多进程图像，操作系统都应该解决哪些问题？

1. 多进程如何组织？
2. 多进程如何切换？
3. 多进程交替时，如何相互影响？

1. 多进程如何组织？也即多进程如何存放？

   • 操作系统感知进程依赖于PCB，组织和存放进程也靠PCB，通过PCB形成一些数据结构（队列），来组织多进程；如下图：

     PCB在这里相当于结构体，组成数据结构的基本单位。

   • 组织好多进程，才能合理推进多进程。

     

2. 如何推进多进程？

   • 一个进程正在执行

   • 另一些进程在排队（就绪队列）等待执行

   • 还有一些在等待触发事件，即使排到也不能调度执行

     比如上图中的第三列PCB，在等待磁盘操作。

     PCB是用来记录进程信息的数据结构

   • 总结：多进程对应的PCB分别放在不同的地方，执行不同的处理。

   • 把进程通过状态区分开来，通过操作系统对进程状态的转移控制，多进程就向前推进了。

     

3. 多进程如何交替/切换？

   这部分后续会详细讲解，下面还是简略的过程。

   • 情境：一个进程启动磁盘读写，等待时进行切换。

     下图展示了关键代码，代码注释见图中红色字体；

   • schedule()函数是重点，即调度函数；

   • 下图中的getNext从就绪队列中挑出下一个需要占用CPU的进程；

     选择哪一个进程合适，即进程调度问题，也会用一讲来讲解。

   • switch_to就是用 PCB 进行进程上下文的切换，pCur、pNew分别指当前进程的 PCB 和调度得到的下一个进程的 PCB ，即进行执行现场的更替。

     交替的三部分：

     • 队列操作+调度+切换

   • 

4. 进程如何调度？

   • 这里先讲两个基础调度算法。
     • FIFO，First In First Out.
       • 显然是比较公平的策略，但是没有考虑进程执行的任务轻重缓急；
     • Priority.
       • 对进程赋予优先级，但如何赋予也是个问题。

5. 切换进程

   • 调度找到下一个占用CPU的进程后，就要进行切换；

     这个过程需要精细控制，所以需要 汇编代码，下图为伪代码；

   • 做的事情也不难想象，先把将要停下的进程信息保存到PCB1中（将当前CPU的各种信息（寄存器等）保存到pCur中），

     再从将要进行的进程的PCB2中取出信息赋到对应寄存器/位置（将pNew中的寄存器等信息恢复到CPU中）

   • 

6. 多进程交替时，如何相互影响？

   互斥、锁的概念。

   • 多进程看似不打照面，但实际上它们同时在一个内存来存放。

     多个进程交替执行会相互影响，包括正面的多进程合作，负面的内存地址冲突等等

     

   • 比如，进程1中，修改了某个地址的值，而这个地址，正好时进程2 包含的地址，这时就会引起进程2崩溃。

   • 如何解决进程间矛盾？

     限制对进程2地址的读写。即：!内存映射!

     其实涉及内存管理了，可见内存管理也服务于CPU管理的多进程图像。

     通过一个映射表，将真实物理地址转化为虚拟存储地址；

     

     两个进程的100内存地址，是虚拟逻辑地址，会映射到不同的物理内存；下图中展示了两个进程的100地址分别映射到了物理地址780和1260

     

   • 还有一些时候，进程之间需要进行合作，如何进行进程间合作？

• • 举例1（浅显）：

  • • 不同的应用程序提交打印任务，打印任务会被放到“待打印文件队列”
    • 打印进程会从“待打印文件队列”中一个接一个的取出打印任务，控制打印机打印
    • 如果对存入打印进程的任务不进行管理，如任务1没放完，任务2就开始放，后面切换时就会出现顺序执行所不会遇到的乱序问题。

  • 举例2（稍深）：生产者-消费者实例

  • • 、

    • 生产者和消费者通过共享数据buffer[]进行合作

    • 如果缓冲区满了，就不应该再放了，

      用counter记录，如果==buffer_size，说明满了，死循环；没满则counter++；

      如果要避免缓冲区满而还向里放的情况，counter 这个信号量必须要保持正确（我突然感觉这是工程代码调试的一个关键）

    • 如果多个进程都在内存中交替执行，counter可能就会出错。

      下面是个具体的例子：

      初始counter=5，生产者执行counter++，消费者执行counter--，在寄存器层面将会是：

      // 生产者P
      register = counter;
      register = register+1;
      counter = register;
      
      // 消费者C
      register = counter;
      register = register -1;
      counter = register;
      

      当生产者的程序执行到中间切换到消费者，可能的代码序列如右上角所示，counter 直接乱了。后续合作就也会乱套。

      

    • 解决合作问题（合作各方的合理推进顺序）的核心在于 !进程同步!

      给 counter 上锁，即写 counter 时阻断其他进程访问 counter.

      

5. 简单总结2

• 理解CPU管理的基本想法

• 直观感受了操作系统的多进程

• 具体了解了多进程图像，探讨了操作系统如何实现多进程图像。

  补充操作系统 多进程图像的发展：

  批处理（顺序）--->多道程序处理---->分时系统

• 这时多进程图像的大致轮廓，后续会一一展开：