# Operating System Ch 3 - Processes Concept

[清大周志遠老師的課程錄影](https://www.youtube.com/playlist?list=PLS0SUwlYe8cxj8FCPRoPHAehIiN9Vo6VZ)的筆記。

contributed by <[`kaeteyaruyo`](https://github.com/kaeteyaruyo)>

## Process 的概念

* **Process 就是正在執行的 Program** （翻成中文反而好誤導建議大家直接記英文）
* Process 在記憶體裡面的的組成物
* Text section (code segement)
* Data section
* (Static section)（不知為何沒講）
* Heap
* Stack
* Program counter 和暫存器內容等（被 switch 掉的時候要暫時放進記憶體）
* 相關的資源（例如已經開啟的檔案的 handler 之類的）
* **Thread** 就是輕量化的 Process
* 每一個 Process 可以創造出一到多個 Thread 來幫他做事情，這些 Thread 可能會共享部份記憶體（例如： code section, data section, OS resource），但是會有自己的 program counter 和暫存器內容等
* Thread 是作業系統當中使用 CPU 的最小單位實體
* 有些作業系統不區分 Process 和 Thread

### Process State


* 一個 Process 的生命週期中會有以下五個狀態
* **New**: 一個 program 準備要被放進記憶體裡面變成 process 時的狀態（早期電腦記憶體寸土寸金的時候不是說 program 想執行就可以執行的）
* **Ready**: process 已經進了記憶體但是還在排隊等著用 CPU 時的狀態
* **Running**: process 正在使用 CPU 時的狀態
* **Waiting**: process 正在做 I/O / 被 swap out / 正在做一件很花時間的事情沒有要用 CPU 時的狀態
* **Terminated**: process 事情做完了要善後（釋放資源）時的狀態
* **Process Control Block (PCB)**
* 來記錄每一個 process 的控制資料（metadata），以一個 linked list 的結構儲存在 OS 的記憶體當中
* 當 process 要從 create 變成 ready，意思就是創建一個這樣的 PCB
* **Context switch**
* 在分時系統當中，process 每隔一段時間就要讓出 CPU 執行權。當 P0 要讓出執行權給 P1 時，P0 要先把他在 CPU 暫存器中的資料存進自己的 PCB，然後 P1 也要把他在 PCB 當中的資訊載入 CPU 暫存器，中間這段搬運資訊的工作就叫做 context switch
* Context switch 是 OS 在工作，P0 和 P1都沒有在做他們想做的事，**所以算是一種 overhead**

## Process 排程


* Process 有很多種原因會被 context switch 掉，被 switch 掉時會回到某個 queue 裡面，只要有 queue 就會有**排程 (scheduling)**（決定隊伍裡的人誰排前面誰排後面）的問題
* Scheduler 有三種
* **Short-term scheduler (CPU scheduler)**: 決定有哪些 process 可以從 ready state 進入 running state，因為這件事很常發生所以必須很快
* **Long-term scheduler (Job scheduler)**: 在以前記憶體不夠多的年代，決定有哪些 program 可以從 create state 進入 ready state，近年來記憶體變大了所以這個功能已經逐漸淘汰
* **Mid-term scheduler**: 因為現代記憶體都很大，而且還有虛擬記憶體技術，所以一般來說有 process 要 create 時都會先進記憶體。此時如果記憶體不夠用或 CPU/IO 的時間比不夠平衡，就要決定哪些 process 要先 swap in/out 虛擬記憶體中（從 ready 到 waiting）
* 排程的目標
* 因為同一個程式一定要嘛是在做 CPU 計算要嘛是在做 IO，Multi process 的作業系統為了確保 CPU 跟 IO 裝置都全力在工作，所以 Long-term / Mid-term scheduler 的目標會是把 process 安排成花費 CPU 時間和花費 IO 時間差不多的比例
* 而負責決定誰有 CPU 可以用的 Short-term scheduler 則是針對不同目的有不同的演算法，例如：最小化平均等待時間、最小化回應時間、確保每個 process 都能公平取得 CPU 時間等等

## Processes 相關操作

（以下內容以類 Unix 系統為例）

* 在 Unix ==（其他系統好像也是）== 裡面，**所有的 process 之間都是有父子關係的**，開機時的那一個 [init process](https://zh.wikipedia.org/zh-tw/Init) 會負責創造出其餘的 process
* 我們可以用 `htop` 之類的工具看到這些 process 之間的關聯性
* 或是執行 `ps -ael` 指令，然後根據 parent process ID 重建這個樹狀關係
* 三個跟創造 process 有關的系統呼叫
* **`fork()`**: 當一個 process 呼叫了 `fork()`，他會創造出一個跟他一模一樣的另一支子程式出來。`fork()` 會回傳不同的值給創造程式的那支程式（父親）和他創造出來的那支程式（小孩），父親會得到小孩的 PID，小孩的 PID 是 0，所以可以根據這個值決定接下來兩個人分別要做什麼
* 要注意的點是：在 Unix 系統中程式被 `fork()` 出來，**他的 memory 和 register 的狀態是和 parent 一模一樣的**
* **`execlp()`**: 通常我們創造出一個新的 process 是希望他去做跟父親不一樣的事，所以我們可以使用 [exec 系列的 system call](https://burweisnote.blogspot.com/2017/08/execlpexecvp.html) 來抽換小孩的記憶體內容（包含程式碼區塊和變數資料），讓他變成另一個完全不同的程式
* **`wait()`**: 由於在 unix 系統中父親和小孩是 concurrent（並行執行，也就是不保證誰先執行誰後執行）的，所以如果希望確保一定要小孩先把事情做完再輪到父親收尾（例如清除記憶體內容等）的話，父親需要呼叫 `wait()` system call，強制自己進入 waiting queue
* （[jserv 有寫文章講解這個東西](https://hackmd.io/@sysprog/unix-fork-exec)）
* 要把 process 結束掉有以下三個指令
* **`exit()`**: 當一個 process 執行了這個系統呼叫，就會去釋放**自己**持有的記憶體和相關資源
* **`abort()`**: 一個 process 可以執行這個系統呼叫去殺掉**他創造出來的 process** ==（不知道可不可以殺更深層的子代）==
* **`kill()`**: 任何擁有 root 權限的人都可以執行這個系統呼叫去殺掉**任何指定的程式**（透過 PID）

## 行程間通訊 (Interprocess Communication, IPC)

* **Interprocess Communication (IPC)**: 多個 process 或是 thread 之間互相溝通的方法。依照記憶體的使用方式，可以分成兩大類
* Message passing
* Shared memory

### Message Passing

* Message passing 一定會有 **`send()`** 和 **`receive()`** 這兩個函式，可以根據傳輸雙方的中間有沒有一個中介者分為 direct / indirect communication，如果是前者那一定是同步化的（或是叫 blocking）；後者的話可以是同步化也可能是非同步化，如果非同步化就也要處理同一個訊息要怎麼指定被某一個 reciever 收到的問題
* （剩下的我賭不會考所以省略）

### Shared Memory

* Shared memory 雖然比 message passing 更快，但是會有 **concurrency** 的問題，也就是當兩個 process 同時都要去讀寫同一塊記憶體空間時，由於我們無法確保哪一個 process 會先動作，所以可能會得到預料之外的操作結果。為了解決這個問題，我們需要有**同步化 (synchronization)** 的機制。最著名的例子就是生產者與消費者問題

### 遠端電腦通訊

* Socket
* 網路系統中的兩台不同主機之間傳遞訊息的作法，透過 IP 和 port 來分辨不同的程式，傳遞的東西是單純的 byte string，process有義務自己把他們轉成特定資料格式或型態
* Remote procedure call (RPC)
* 把 OS 提供的 system call 包成一個 user space 的 API，讓 process 可以直接像是在呼叫一個普通的函式一樣去執行遠端電腦的程式碼
* RPC 和 socket 的差別只在 RPC 的 function 是有 data type 的

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