作業系統筆記 Processes Conecpt

周志遠教授作業系統開放式課程

Process Concept

Program

• 被動、Binary 的 File 存在硬碟裡面

Process

• 主動、正在記憶體裡面執行的程式

• 一個 Process 裡面包含：

  • Code Segment (text section)
  • Data Section (global variables)
  • Stack (暫時的 local variables 和 functions)
  • Heap (動態分配的 variables 或 classes)
  • 記錄現在的資料 (program counter、register contents)
  • 其他相關的資源 (OS resources, e.g. open file handlers)

Threads

• A.K.A lightweight process

  • 跟 Process 長的一樣，不過有些 Threads 可以共用 Memory 空間
  • 是 Basic unit of CPU utilization

• 在同一個 Process 底下的 Threads 會共用

  • Code Section
  • Data Section
  • OS resources

• 每個 Thread 有自己的

  • Thread ID
  • Program Counter
  • Register Set
  • Stack

因此，在寫 Multi-Thread 的時候可以用 Global Variables (Data Section) 來做溝通

Process States

• States

  • New: 這個 Process 剛被創造出來

    • Program Load 到 Memory，並初始化前面提到的那些 (Code Section、Data Section…)
    • 分配要分配多少給 Process

  • Ready: Process 要競爭的資源是 CPU，會有一個 Queue 存放這些 Process，等待 CPU 排程

  • Running: 在 Ready 中被選到了，可以開始執行程式

    • 有時候 Running State 會直接回到 Ready State，通常是因為 Timer 到了，送出 Interrupt，而不是因為 IO

  • Waiting: 在做 IO 的時候不需要 CPU 參與，等到完成後會回到 Ready

    • 也有一個 Queue 來儲存

  • Terminated: 釋放所有分配給這 Process 的資源

Process Control Block (PCB)

• OS 要能掌握每個 Process 的邏輯來管理，所以每一個 Process 會有一個 Process Control Block
• 像是前面說的把 Process 放進 Queue 其實是一個抽象的概念，實際上是放進 PCB，然後裡面的
• PCB 裡面包含
  • Process State (Ready、Waiting…)
  • Program Counter
  • CPU Registers
  • CPU Scheduling Information (這個 Process 的 Priority)
  • Memory-Management Information (Base/ Limit Register)
  • I/O Status Information (正在做哪個 IO Device 的 IO)
  • Accounting Information (你開了幾個檔案)

Context Switch

• 藉由 Interrupt，把原來的 Process 替換成另一個 Process

  • 會把舊 Process 的資料存到 PCB 裡，把新 Process 的資料 Load 到 PCB 裡

• Context Switch 所花的時間就是 Overhead，在這期間兩個 Process 都在 Idle，為了 Time-Sharing 這是無法避免的

• Context Switch Time 基於

  • Memory Speed
  • Register 數量
  • 用特殊的 Instruction，像是某個 Instruction 可以一次 Load 所有 Register
  • Hardware Support: CPU 包含很多 Sets of Registers，一次去記很多程式的狀態，在 Context Switch 得時候就不用寫到 Memory

Process Scheduling

• 為了實現 Multiprogramming 和 Time Sharing

Queues

• Job Queue (New State): 哪些 Process 可以 Load 到 Memory
• Ready Queue (Ready State)
• Device Queue (Wait State)

Scheculers

Operations on Processes

Interprocess Communication