Unix操作系统 - 进程基础

一篇围绕 Unix 进程与线程基础展开的学习笔记。

在 概述 中介绍操作系统时，将操作系统分为这样几个章节

1. 概述 - 操作系统的组成/作用/发展历史等
2. 进程 - 操作系统分配资源的最小单位
3. 内存管理 - 内存如何虚拟化，操作系统如何分配内存资源
4. 文件管理 - 文件系统与第一个I/O设备 —— 磁盘
5. I/O设备 - 磁盘/网络/用户终端等

此篇文章是介绍 进程 的第一篇文章，主要整理这些内容：

• 进程的基本组成
• PCB 与进程生命周期
• 调度机制与上下文切换
• 常见调度算法
• 线程的基本概念

这里暂时不涉及进程间通信，像管道、信号、共享内存、socket 这些内容放到后面的文章中再展开。

进程是什么 ​

进程是一个正在运行的程序实例。

磁盘上的可执行文件只是静态的程序；只有当它被加载到内存、分配资源并开始执行时，才成为动态的进程。同一个程序文件可以同时启动多个进程，而这些进程彼此独立，各自拥有自己的运行状态。

从操作系统视角看，进程是资源分配和调度的重要对象；从程序员视角看，进程则是一个拥有独立地址空间、文件描述符表和执行上下文的运行实体。

进程的基本组成 ​

典型的进程包括下面几个重要组分：

程序代码通常来自可执行文件的代码段，本身相对稳定；多个进程甚至可以共享同一份代码映像，但各自的运行状态彼此独立。

数据区域通常保存全局变量、静态变量、已初始化和未初始化的数据，它的生命周期通常与整个进程一致。

堆用于动态内存分配，例如 malloc 申请出来的空间通常就来自堆；堆的大小可以在运行过程中变化。

栈主要服务于函数调用。函数参数、局部变量、返回地址等信息通常保存在栈上。后面学习线程时会看到，每个执行线程都必须有自己的栈。

寄存器上下文记录了进程当前的执行状态，例如程序计数器、栈指针和通用寄存器。程序计数器尤其重要，因为它决定了“下一条要执行哪条指令”。

文件描述符表是 Unix 系统里非常重要的一部分。它记录当前进程打开了哪些对象，而这些对象并不只包括普通文件，还包括终端、管道、socket 和设备文件。

程序启动时，通常已经默认打开了下面 3 个文件描述符：

后面学习重定向、管道和进程间通信时，会发现很多操作本质上都和这张表有关。

PCB：操作系统如何管理进程 ​

系统里同时可能有很多进程在运行，操作系统必须有一个地方记录“这个进程是谁、当前处于什么状态、执行到哪了、占了哪些资源”。这个记录结构通常就叫 PCB，也就是进程控制块（Process Control Block）。

可以把 PCB 理解成“操作系统为每个进程建立的一份管理档案”。 操作系统通过 PCB 来识别、调度和回收一个进程。

1. pid 与父子进程关系 ​

每个进程都有一个进程 ID，也就是 pid。它可以看成是操作系统为该进程分配的唯一编号。

进程通常还会记录它的父进程 ID，也就是 ppid。这表示“是谁创建了我”。后面学习 fork 时会看到：父进程调用 fork 之后，就会产生一个新的子进程。

父子关系之所以重要，是因为它会影响进程生命周期中的一些特殊情况：

• 如果子进程已经结束，但父进程还没有调用 wait 回收它，那么子进程会暂时处于僵尸状态
• 如果父进程先结束，而子进程还在运行，那么子进程会成为孤儿进程

在 Unix 系统上，通常不采用“父进程终止时级联终止所有子进程”的做法。也就是说，父进程先结束，并不会自动把所有子进程一起杀掉。

更常见的行为是：

• 子进程继续运行
• 它的父进程关系会被重新挂接给 init 或类似的系统进程
• 该系统进程会在适当时候调用 wait，把结束后的孤儿子进程真正回收

因此，wait 的意义之一，就是让已经结束的子进程从“僵尸状态”进入真正被系统释放资源的终止状态。

2. 进程状态与生命周期 ​

进程并不是一创建出来就一直运行到结束。典型的进程生命周期会在几种状态之间切换。

如果结合前面的父子关系，还可以补充两个常见的 Unix 术语：

一个典型的流转过程大致如下：

新建 -> 就绪 -> 运行 -> 终止
              |
              v
             等待
              |
              v
            就绪

如果再结合队列来看：

• 进程创建后，状态通常是“新建”
• 满足运行条件后，进入“就绪”
• 被调度到 CPU 后，进入“运行”
• 发起 I/O 或等待某事件时，进入“等待”
• 事件完成后，再回到“就绪”
• 执行结束后，进入“终止”

3. PCB 的典型组分 ​

一个 PCB 中通常会包含下面这些信息：

这里单独强调一下程序计数器。它记录了进程所执行的当前指令位置，在上下文恢复时，将从此条指令继续执行；对于多线程进程，每个线程也必须有自己的程序计数器。

有了 PCB 来结构化进程，内核才能完成很多关键操作：

• 把进程挂到就绪队列或等待队列里
• 在上下文切换时保存和恢复进程上下文
• 查出这个进程当前打开了哪些资源
• 在进程结束时统一回收资源

调度机制 ​

CPU 是有限资源，而进程往往有很多个。调度的目的，就是让多个进程能够共享 CPU。

从这个角度看，调度也常被视为“CPU 的虚拟化”：对于进程而言，调度过程通常是透明的，每个进程总像是在连续地执行；而从操作系统视角看，则是多个进程轮流占用 CPU。

1. 调度队列 ​

为了完成调度，操作系统通常会维护几类队列。

这里要区分“等待队列”和“设备队列”：

• 等待队列是从 CPU 调度视角看，表示进程暂时不能运行
• 设备队列是从具体设备调度视角看，例如磁盘请求自身也可能排队

如果把队列和状态结合起来，一个进程在生命周期里通常这样迁移：

2. 调度器 ​

从这些队列里选择进程去运行的模块，就叫调度器（scheduler）。

教材里常把它分成三类：

短期调度器通常也被叫做 CPU 调度器，它是最频繁参与运行时调度的那一个。

3. 上下文切换 ​

调度的目标是共享有限的 CPU 资源，而要让这种共享对进程看起来是连续、透明的，就需要在进程切换时保留并恢复进程的上下文。

这里的“进程上下文”，指的是一个进程恢复执行所必需的那组状态信息。

这件事和前面的 PCB 是直接对应的：上下文切换时，本质上就是把 PCB 中与运行相关的一部分信息从CPU与寄存器等位置保存到内存里，或者从内存中重新加载到 CPU与寄存器等位置中。

进程上下文通常包括：

一个典型的进程切换过程大致如下：

1. 时钟中断或其他事件发生
2. 硬件先自动保存中断所需的最基本上下文
3. 内核进入中断处理程序或调度路径
4. 内核把当前进程的关键上下文保存到它的 PCB 中
5. 调度器从就绪队列中选出新的进程
6. 内核把新进程 PCB 中的关键上下文重新加载到 CPU
7. 返回后，CPU 从新进程原先停止的位置继续执行

上下文切换本身是有开销的，因此调度策略总是在“响应更快”和“切换次数更少”之间做折中。

4. 中断上下文与进程上下文 ​

这里还需要区分两类容易混淆的概念：中断上下文和进程上下文。

时钟中断发生时，发生两种上下文切换：

1. 中断发生时，硬件先保存“中断上下文”
2. 中断服务程序（调度程序）决定切换进程时，再处理“进程上下文”
3. 中断服务程序退出时，硬件恢复中断上下文

常见调度策略 ​

调度机制解决的是“怎么切换”，调度策略解决的是“该选谁”。

1. 调度指标 ​

比较不同调度算法时，最常见的两个指标是周转时间和响应时间。

之所以要区分这两个指标，是因为不同系统关注点不同：

• 批处理系统更看重周转时间
• 交互式系统更看重响应时间

这里还需要引入一个很常见的思想：摊销。

调度本身有开销，因此如果每次调度后只运行极短时间，切换成本就会显得很高；如果一次调度后能运行更长时间，那么调度开销就会被分摊到更长的执行时间上。

2. 先来先服务（FIFO） ​

先来先服务也常被写作 FIFO 或 FCFS。它的规则很简单：谁先进入就绪队列，就先运行谁。

这种现象常被叫做“护航效应”：一个很长的 CPU 密集型任务挡在前面，后面的短任务都得等。

3. 短作业优先（SJF/PSJF） ​

短作业优先（SJF, Shortest Job First）倾向于优先运行预计执行时间更短的任务。

如果把它做成抢占式版本，通常叫 STCF 或 PSJF，也就是最短剩余时间优先：每当有新任务到来时，调度器会比较当前任务和新任务的剩余时间，把 CPU 分配给剩余时间更短的那个。

这类算法的共同特点是：

• 倾向于优先完成短任务
• 更有利于优化平均周转时间
• 但依赖“知道未来还要运行多久”这一现实中很难完全满足的条件

4. 时间片轮转（RR） ​

时间片轮转（RR, Round Robin）是分时系统里非常经典的一种策略。

它的核心思想是：

• 每个进程最多运行一个时间片
• 时间片用完还没结束，就被放回就绪队列尾部
• 然后轮到下一个进程运行

还需要注意一点：进程即使时间片还没用完，也可能因为发起 I/O 而主动让出 CPU。

例如下面这个简化示意里，A 在发起 I/O 后，B 即使没有等到时间片结束，也会获得 CPU：

5. 多级反馈队列（MLFQ） ​

多级反馈队列（MLFQ, Multi-Level Feedback Queue）是更接近真实系统的一类策略，也是非常重要的一类调度思想。

它的关键目标，是在不知道未来作业长度的情况下，同时尽量兼顾周转时间和响应时间。

它通常维护多个优先级不同的就绪队列，并允许进程在这些队列之间移动。可以把它的核心规则整理成下面几条：

它背后的直觉是：

• 经常很快让出 CPU 的任务，更像交互型或 I/O 密集型任务，应优先响应
• 长时间持续占用 CPU 的任务，更像 CPU 密集型任务，可以放到较低优先级队列

很多系统还会加入一个重要保护：不是只看“单次时间片有没有用完”，而是记录某个任务在这一层累计消耗的总时间，只要总配额用完，就应该降级。这样可以避免任务通过频繁发起 I/O 来欺骗调度器。

6. 比例份额调度 ​

比例份额调度的核心思想不是“按先后顺序”或“按时间长短”调度，而是按某种比例来分配 CPU。

一种经典思路是彩票调度（lottery scheduling）：

• 每个进程拿到若干“彩票”
• 调度时随机抽一张彩票
• 谁的彩票被抽中，谁就获得 CPU

这样一来：

• 彩票越多，获得 CPU 的概率越高
• 长期来看，CPU 时间会按彩票比例分配

这种方法的重点不在“完全确定的顺序”，而在“按比例公平地分享资源”。

线程是什么 ​

在线程部分，更直接的说法是：线程是进程中的执行线程。 进程负责拥有资源，而线程是进程中的实际执行流。

1. 线程与进程的关系 ​

同一进程中的多个线程通常会共享：

• 代码段
• 数据段
• 堆
• 打开的文件
• 进程的地址空间

但每个线程仍然需要自己独立拥有：

• 程序计数器
• 寄存器集合
• 线程栈
• 调度状态

2. 单线程进程与多线程进程 ​

单线程进程只有一个执行线程，也就只有一组程序计数器、寄存器和栈。

多线程进程则包含多个执行线程。它们共享同一个进程的资源，但每个线程各自维护自己的程序计数器、寄存器集合和栈。

3. 为什么需要线程 ​

引入线程，并不是为了解决并发问题；从原理上说，多进程也可以实现并发。

线程的意义在于：它为原本依赖多进程的并发场景，提供了一种更轻量的实现方式。

例如一个图形界面程序里，可能同时需要：

• 一个执行线程负责界面响应
• 一个执行线程负责网络请求
• 一个执行线程负责后台计算

如果完全依赖 单线程进程 来做这些事，那么创建、切换、资源共享和进程间通信的成本通常更高。而在同一进程内使用多个线程，则往往更轻量。

线程相对多进程的典型优势是：

但线程也带来新的问题，例如竞争条件、同步复杂度和调试难度。相关内容后面再单独展开。

4. 用户级线程与内核级线程 ​

线程实现方式也可以粗略分成两类：

它们的大致差异如下：

现代主流系统里，内核级线程更常见，因为它更容易与多核 CPU 和内核调度机制结合。

小结 ​

我们介绍了进程的基本思想，也看到了进程如何管理与调度，最后介绍了多线程。如果把这篇文章压缩成几句话，那么可以表述如下：

• 进程是一个正在运行的程序实例，包含代码、数据、上下文和系统资源
• 操作系统通过 PCB 记录和管理每个进程
• 调度机制决定“如何切换” —— 保存并恢复进程上下文
• 调度策略解决“下一个选谁运行”，常见策略有 FCFS、SJF、STCF、RR、MLFQ 和比例份额调度
• 线程是进程中的执行线程，同一进程中的线程共享资源，但各自保留部分独立的执行上下文

后面的文章再继续进入更具体的内容，例如进程控制系统调用、线程同步，以及进程间通信。