Operating System #3

Program VS Process

• Program和Process中文都翻譯成程式或程序，因此兩者的區別是基礎卻常見的考題。
• Process是指執行中的Program，當一個Program被load到記憶體之後就成為了Process。
  • 超級重要！面試常考題目！
• 一個Process在記憶體中被分為幾個部分：
  • program Code，也稱為text section
  • program counter，紀錄現在process活動到哪裡
  • stack，存放臨時資料(動態資料)，包含function的參數、回傳指標、區域變數等
  • data section，包含全域變數等靜態資料
  • heap，包含動態產生的記憶體空間資料(malloc或是new等指令產生的資料)
• Program是passive，而process則是active；也就是執行中的程式才叫process。

Process State

• 一個process的執行會不停切換狀態：
  • new：當該process被創造時
  • running：process的指令正在被執行時
  • waiting：process因為某些事件而暫停時
  • ready：process在等候被OS選到執行時(前面說過一次只有一個process執行)
  • terminated：當process結束時
• 雖然現今有些作業系統已經將new和ready合併，但考試時還是得寫完整以求保險。

Process Control Block (PCB)

• 在OS中，每個Process都有一個對應的PCB。
• PCB存放Process的相關資訊，也稱作task control block。
  • Process state：目前的狀態
  • Program counter：下一個要執行的指令位置
  • CPU registers：暫存器的內容
  • CPU scheduling information：排程時的相關屬性(後面提到排程時會更詳細)
  • Memory-management information：分配給該Process的記憶體空間
  • Accounting information：CPU使用量、時間用量、時限等等
  • I/O status information：配置給該Process的I/O裝置、開啟的檔案等

Switch From Process to Process

• 之前提過，為了看起來每個程式同時運作，OS會不同切換Process讓CPU不同運作。
• 在切換Process的同時，也必須將對應的PCB讀進來和存回去。而記憶體的速度比起CPU來說非常緩慢，因此PCB的讀入讀出其實很耗時。
• 這樣的Context Switch成本，受到了硬體速度的影響。有時候硬體會使用多個等級的暫存器來輔助這件事。

Thread

• 到目前為止我們都只考慮一個Process只有一個Thread(執行緒)。
• 想想看，如果一個Process有多個Program counter…
  • 多個執行點在同一個程式中，每個執行點就是一個Thread。
  • 這樣的程式我們叫Multiple threads(多執行緒)，會在後面的章節更詳細說明。

Process Scheduling

• 為了最大化CPU的使用率，快速的切換到對的Process到CPU核心中是重要的。
• Process scheduler就是在決定下一個要執行哪個可用的Process。
• 我們會專注在兩個排程序列中：
  • Ready queue：已經準備好要執行的Process會在這個queue中，等候OS選擇到它執行。
  • Wait queue：在這裡的Process可能在等待某些事件發生(例如I/O裝置等)。
  • Process會在這些queue中移來移去。
• • queue的實作可能是linked list(上圖)，會根據不同的OS有不同的實作方法。
  • Data的部分就是PCB，排程時可能也會參考這些資訊來決定執行順序。

Type of schedulers

• Long-term/ job scheduler
  • 選擇哪些Processes要進來ready queue準備執行。
  • 執行頻率不高，通常幾秒、幾分鐘再執行就好。
  • 速度不快。
• Short-term/ CPU scheduler
  • 從ready queue選擇process執行。
  • 有些系統只有Short-term，省去Long-term的步驟。
  • 執行頻率快速，通常單位是毫秒。
  • 必須非常快速。
• Medium-term scheduler
  • 當記憶體不夠用，必須將部分Process從記憶體中移開，在真正需要時再移回來。

• Processes中可能分為兩類：
  • I/O-bound process：如果Process需要等後I/O輸入，那它很有可能馬上就要進入wait狀態，也就是說它的CPU bursts很低。
  • CPU-bound process：工作為大量的計算，CPU可以全力運算，CPU bursts很高。
• 要如何在排程階段分配好兩者的比例是Long-term scheduler的重點。

Operations on Processes

Process Creation

• 要創造出一個新的Process，我們使用**fork()**的方式。
  • 原來的Process複製出一份一樣的程式架構，並將該複製體設定為自己的小孩(Tree架構)。
  • 子程式再根據需求改變內容，變為不同程式。
• 管理上使用pid(process identifier)來辨識不同程式。

Process Termination

• 使用exit來結束一個Process。
  • Process的資源deallocated是OS的重要工作。
• 如果擁有子Process，父Process必須wait所有小孩結束。
• 也可以用abort強制結束父Process。
  • 小孩的資源可能過多了
  • 小孩的工作已經不需要執行
  • 當父Process強制結束，所有小孩也會跟著中止。
• 如果沒有正常結束，該process會變成一個zombie。

Interprocess Communication

• 系統中的Process可以是independent或是cooperating。
• Cooperating Process可以影響其他Process或被其他Process影響，也包含共享資料這件事。
• Cooperating Process的好處：
  • 資料共享
  • 計算速度提升
  • 模組化
  • 方便化
• Cooperating Process必須做到interprocess communication(IPC)的架構，而IPC分為兩種：
  • Shared memory
  • Message passing
• 在共享記憶體時可能會有同步化的問題，我們在後面Synchronization會詳細討論。

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