【OSTEP】Abstraction Process | 进程 | 虚拟化 | 进程API

💭 写在前面

本系列博客为复习操作系统导论的笔记，内容主要参考自：

• Remzi H. Arpaci-Dusseau and Andrea C. Arpaci-Dusseau, Operating Systems: Three Easy PiecesA. Silberschatz, P. Galvin, and G. Gagne,
• Operating System Concepts, 9th Edition, John Wiley & Sons, Inc., 2014, ISBN 978-1-118-09375-7.Microsoft. MSDN(Microsoft Developer Network)[EB/OL]. []. .

0x00 什么是进程？

" Process is a running program. "

何为进程？进程就是运行中的程序。

A program is a passive entity. （比如存储在磁盘上的可执行文件）

A process is an active entity with a program counter.

当一个可执行文件被加载到内存中时，一个程序就成为了一个进程。

一个程序可以创建多个进程。

我们几乎可以互换地使用工作、任务和进程。

A process is comprised of code section, data section, stack and heap and program counter.

一个进程是由代码、数据、栈和堆，以及程序计数器组成的。

0x01 系统是如何营造出有许多CPU的错觉的

CPU虚拟化（CPU virtualizing）！

• 操作系统可以营造有许多CPU的错觉。
• 时间共享（Time Sharing）：运行一个进程，然后停止它去运行另一个进程（潜在的开销 - 性能的损失）。

🔺 总结：操作系统通过虚拟化（virtualizing）CPU 来提供这种假象。

0x02 进程API

这些 API 适用于现代 CPU：

创建（Create）：

• Create a new process to run a program（创建一个新的进程，在 shell 中键入命令或双击应用程序图标时，会调用操作系统来创建新进程，运行指定的程序）

销毁（Destroy）：

• Halt a runaway process （由于存在创建进程的接口，对应的操作系统还提供了一个强制销毁进程的接口。当然，很多进程会在运行完成后自行退出。但是，如果他们不退出，用户可能希望终止他们，因此停止失控进程的接口非常有用。）

等待（Wait）：

• Wait for a process to stop running（有时候等待进程运行是有用的，因此提供某种等待接口）

其他控制（Miscellaneous Control）：

• Some kind of method to suspend a process and then resume it（例如：大多数操作系统提供某种方法来暂停进程）

状态（Status）：

• Get some status info about a proces（通常有一些接口可以获得有关进程的状态信息，例如运行了多长事件，或者处于什么状态）

0x03 创建进程（Process Creation）

Step1：将一个程序代码载入到内存中（进入进程的地址空间）

• 程序最初以可执行格式（executable format）的状态存在磁盘（disk）上
• 现代操作系统会惰性处理（lazily），像是有拖延症一样去执行加载的过程

• 在程序需要时才去加载代码和数据段（可以理解为不到DDL不去做，就硬托）
• "Loading pieces of code or data only as they are needed during program execution."

Step2：程序运行时栈被分配

• 将栈用于局部变量（local variables）、函数参数（function parameters）和返回地址（return address）。
• 用主函数的 argc 和 argv 数组初始化栈。

Step3：程序的堆被创建

• 用于动态分配有明确需求的数据
• 程序通过调用 malloc() 来申请空间，通过调用 free() 来释放空间

Step4：OS做一些其他的初始化任务

• Input / Output （I/O）设置

• Each process by default has three open file descriptors.
• Standard input (stdin), standard output (stdout) and standard error (stderr)

Step5：启动入口程序 main

• OS将CPU控制权转移给新创建的进程。

在内存中的进程：

0x04 程序状态和中转（Process States and Transition）

一个进程通常有三种状态:

Ready（就绪）：进程已经准备好运行，但由于某种原因，操作系统选择不在此时运行。

A process is ready to run but for some reason the OS has chosen not to run it at this given moment.   在就绪状态下，进程已经准备好运行，但由于某种原因，操作系统选择不在此时运行。

Running（运行）：进程正在处理器上运行

A process is running on a processor. 在运行状态下，进程正在处理器上运行（这意味着它正在执行指令）。

Blocked（阻塞）：一个进程执行了某个操作（比如I/O），因此其他进程可以使用处理器。

A process has performed some kinds of operations. (such as IO)

When a process initates an I/O request to a disk, it becomes blocked and thus some other process can use the processor.

在阻塞状态下，一个进程执行了某种操作，直到发生其他事时才会准备运行。比如进程向磁盘发起 I/O 请求时，它会被阻塞。因此其他进程可以使用处理器。

将这些状态映射到图上表示：

（进程：状态转换）

Example : Tracing Process State （跟踪进程状态）

0x05 数据结构（Data Structures）

PCB (Process Control Block)    - 进程控制块

用于存储关于进程的信息的个体结构称为进程控制块，是谈论包含每个进程信息的C结构的一种方式。

A structure that contains information about each process.

Includes register context: a set of registers that define the state of a process.

Other information associated with each process

Process List (Queue)   - 进程列表

Ready processes（进程准备）

Blocked processes（进程阻塞）

Current running processes（当前运行进程）

例子：XV6 内核结构

// the information xv6 tracks about each process
// including its register context and state
struct proc {
    char *mem;                  // Start of process memory
    uint sz;                    // Size of process memory
    char *kstack;               // Bottom of kernel stack
    // for this process
    enum proc_state state;      // Process state
    int pid;                    // Process ID
    struct proc *parent;        // Parent process
    void *chan;                 // If non-zero, sleeping on chan
    int killed;                 // If non-zero, have been killed
    struct file *ofile[NOFILE]; // Open files
    struct inode *cwd;          // Current directory
    struct context context;     // Switch here to run process
    struct trapframe *tf;       // Trap frame for the
                                // current interrupt
};
// the registers xv6 will save and restore
// to stop and subsequently restart a process
struct context {
    int eip; // Index pointer register
    int esp; // Stack pointer register
    int ebx; // Called the base register
    int ecx; // Called the counter register
    int edx; // Called the data register
    int esi; // Source index register
    int edi; // Destination index register
    int ebp; // Stack base pointer register
};
// the different states a process can be in
enum proc_state { UNUSED, EMBRYO, SLEEPING,
RUNNABLE, RUNNING, ZOMBIE };

Example : Linux task_struct

📌 [ 笔者 ]   王亦优
📃 [ 更新 ]   2022.10.20
❌ [ 勘误 ]   /* 暂无 */
📜 [ 声明 ]   由于作者水平有限，本文有错误和不准确之处在所难免，
              本人也很想知道这些错误，恳望读者批评指正！