操作系统与进程调度

一、计算机操作系统

1.操作系统（Operating System）

操作系统是一组做计算机资源管理的软件的统称,我们在日常生活常接触到的操作系统有：windows、IOS、Android、鸿蒙，以及Linux系统等等，那么操作系统是什么？计算机是如何运行的？

计算机是由软件、硬件相互配合工作;事实上，操作系统可以看做是介于软硬件之间的一组软件，主要起到两点作用：

• 提供稳定的运行环境给软件
• 管理好各种硬件设备

2.计算机系统示意图

下图为计算机系统示意简图，其中操作系统属于系统软件，大家可以了解一下：

当然，我们学JavaWeb最关心的不是他的硬件如何，就目前来说也不应该是操作系统是如何实现的，我们最密切关心的内容是进程管理模块

二、进程

1.进程/任务（Process/Task）

简单来说，一个运行起来的程序(.exe)就是一个进程，从操作系统的调度上来看，进程在运行时，需要向操作系统申请资源，因此进程是操作系统进行资源分配的基本单位。

以上的每一项任务都是一个进程，我们可以看到有一百多个进程，这么多进程同时跑起来，为了保证在计算机上的有序执行，于是需要引入进程管理~

管理：

• 先描述：明确把这个东西有啥特征，都表示出来 ，操作系统主要是通过C/C++实现的，这里的描述其实就是用结构体/类；进程这个结构体称为“PCB”（process control block)进程块。
• 再组织：使用一个数据结构(双向链表)，把很多个这样的结构体 / 对象给整理到一起
• //创建进程：先创建出PCB，然后把PCB加载到双向链表中
• //销毁进程：找到链表的PCB，并且从链表上删除
• //查看任务管理器：就是遍历链表

2.进程控制块抽象(PCB Process Control Block)

一个进程的属性是非常多的，因此在PCB中存储的是一些较为关键的属性，主要属性有以下：

class PCB {
    
    
    // 进程的唯一标识 —— pid;
    // 进程关联的程序信息，例如哪个程序，加载到内存中的区域等    
    // 分配给该资源使用的各个资源
    // 进度调度信息（下面讲解）
}

说明：

• 身份标识PID： 一个进程有一个唯一的身份标识
• 内存指针：*指明了当前进程要使用的是哪一部分内存(进程是消耗一定的硬件资源的)。
• 文件描述表：程序运行过程中，进程每次打开一个文件，就会增加一个文件描述符，文件描述符会以顺序表的方式存储构成文件描述表。
• 辅助属性：该类属性主要是为了辅助进程调度，主要是描述与cpu资源相关的属性

3.进程调度(Process Scheduling）

计算机在执行程序时离不开CPU，CPU的核心数相当于干活的人数，线程数相当于干活效率

如上图，现在常见的CPU多为六核十二线程、八核十六线程等等，反观我们的进程数却经常以百为单位，注意，我们要的是同时干！！！ 那么他们是如何执行这么多任务的呢？

• 并行：同一时间，各干各的，互不打扰，进程之间就是并行的
• 并发：先干一会儿A，再干一会儿B，再干一会C，再去干A~，只要切换够快，我们就认为ABC是并发的

通过并行+并发，我们就可以实现CPU‘同时’执行几百个进程，注意：并行和并发只有在微观上有区分，宏观上我们是区分不了的，因此我们将并发+并行统称为并发。

进程调度的辅助属性通常有以下几点：

• 进程状态
• 进程的优先级
• 进程的记账信息
• 进程的上下文

说明：

• 进程状态：描述这个进程接下来的调度方式；阻塞状态：改进程暂时无法在CPU上执行；2.就绪状态：随时可以在CPU上执行
• 优先级：进程在调度时要有先后顺序以及时间分配
• 记账信息：统计进程在CPU上的执行时间，作为一定的参考依据进行调整
• 上下文：通俗来讲就是游戏的存档、读档；具体来讲就是CPU在执行过程中，执行中间的值以及执行的计算机指令等内容

4.内存管理（Memory Manage）

这里讲到的内存管理主要是指虚拟地址空间，事实上，每个进程访问的内存地址都不是真实的，而是利用一个页表将虚拟地址空间映射到真实地址空间上

如图，进程直接访问内存，如果出现数组越界等等的代码bug，极有可能由一个不相干的进程引起另一个进程的bug，显然这种实现代价是极为糟糕的，使用代价也是非常大的，为了让各个进程之间互不干扰, 就出现了“虚拟地址空间”，每个进程都只能访问到自己的地址空间,成功的完成进程间的隔离。

虚拟地址主要指的是进程在访问地址时，会被操作系统通过一个中间站“页表”来映射到真实的内存地址，如果出现野指针、数组越界等等bug，会被页表报错，就无法修改真实内存地址上的内容，从而不会产生对别的进程的干扰

进程之间无法互相干扰，大大提高了操作系统的稳定运行!

5.进程间通信(Inter Process Communication)

现代的应用，要完成一个复杂的业务需求，往往无法通过一个进程独立完成，总是需要进程和进程进行配合地达到应用的目的，如此，进程之间就需要有进行“信息交换“的需求。进程间通信的需求就应运而生。
目前，主流操作系统提供的进程通信机制有如下：

1. 管道
2. 共享内存
3. 文件
4. 网络
5. 信号量
6. 信号

其中，网络是一种相对特殊的 IPC 机制，它除了支持同主机两个进程间通信，还支持同一网络内部非同一主机上的进程间进行通信。