# 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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