# OS筆記-Chapter 3: Processes

###### tags: `OS`
---
#### 目錄
* 總論
[Chapter 1: Introduction](https://hackmd.io/NoZq3J7IQvOQpcbo_tctjA)
[Chapter 2: Operating-System Structures](https://hackmd.io/OKykRLBESI6v9a13HgS35A)
* 行程管理
<font color="red">Chapter 3: Processes</font>
[Chapter 4: Threads](https://hackmd.io/qzAIHeSASmKuecdkqidmHw)
[Chapter 5: CPU Scheduling](https://hackmd.io/IT5g2wHzTdOtMSDXPVEpOw)
[Chapter 6: Process Synchronization](https://hackmd.io/rv-PNe3ESxi08PElyUTc4Q)
[Chapter 7: Deadlocks](https://hackmd.io/Uu0jDK-rSyKNKq690y146g)
* 記憶體管理
[Chapter 8: Main Memory](https://hackmd.io/4KS_yPkBQzGZfHDisPciog)
[Chapter 9: Virtual Memory](https://hackmd.io/yirxZFn8Rz2wT56AAR7Sxw)
* 儲存裝置
[Chapter 10: File-System Interface](https://hackmd.io/aNPWKsFhTlGc-WFgQ__KRg)
[Chapter 11: File System Implementation](https://hackmd.io/bFcrlmefQsGp6hZdbI1MHQ)
[Chapter 12: Mass-Storage Systems](https://hackmd.io/9Y7Qo0OERda6htK7OOI36Q)
[Chapter 13: I/O Systems](https://hackmd.io/VNwXrhJPSo-l_t9tUBhYIg)
* 保護和安全
[Chapter 14: Protection](https://hackmd.io/izkd4JwXRwub_ZmhSMTlNw)
[Chapter 15: Security](https://hackmd.io/ofyvDidvQf-PxLMMZYhtsg)
---

### 行程的觀念(Process Concept)
* 程式是一項被動(passive)的個體，是存儲在磁碟的可執行案(executable file)，行程就是一個執行的程式，是一項主動(active)的個體

* 一個程式可能有多個行程，但每個行程的記憶體不相同

* CPU不斷的在行程之間轉換，使行程可以並行

* 如何稱呼CPU所有的運作項目:
* 整批式系統(Batch system):工作(jobs)
* 分時系統(Time-shared systems):使用者程式(user program)或任務(tasks)
* 工作或行程兩詞幾乎可以交互使用

* 程行包括:
* 程式碼(program code):也稱本文區(text section)
* 程式計數器(PC,program counter)的數值
* 暫存器內容
* 堆疊(stack):
* 存放暫用資料
* Function parameters、return addresses、local variables
* 資料區間(data section):儲存global variables
* 堆疊(heap):行程執行期間動態配置的記憶體

* 行程本身可能是其他程式碼的執行環境
* Java程式是在Java虛擬機內(JVM,Java virtual machine)執行，JVM是以行程的方式執行

* 行程狀態(Process State)
* 新產生(new):行程正在產生
* 執行(running):指令正在執行
* 等待(waiting):等待事件發生
* 就緒(ready):行程等待指定一個處理器
* 結束(terminated):完成執行
* 任何時候只有一項行程可以在一個處理器上執行，但可以有多個行程在等待和就緒

* 行程控制表(PCB,Process Control Block)
* 或稱任務控制表(Task Control Block)
* 用來儲存各個行程的相關資訊
* 程式計數器(program counter):下一個要執行的指令位址

* 執行緒(thread)
* 單一執行緒只允許行程一次執行一個任務
* 允許行程執行多個執行緒，在多核心系統特別有利，因為多執行緒可以並行

### 行程排班(Process Scheduling)
* 多元程式規劃系統的主要目的是隨時保有一個行程在執行，以提高CPU的使用率

* 分時系統的目的是將CPU在不同的行程之問不斷轉換

* 行程排班程式(Process scheduler):為CPU選則一個可用的行程執行
* 在單一處理器系統裡，不可能有一個以上的行程同時執行

* 排班佇列(scheduling queue)
* 工作佇列(Job queue):行程進入系統(new state)時，放在此佇列中
* 就緒佇列(Ready queue):位於主記憶中且就緒等侍(ready state)執行的行程，放在此佇列中
* 裝置佇列(Device queue):每個裝置都有本身的裝置佇列，以儲存等侍某裝置的行程

* 排班程式(Scheduler)
* 長程排班程式(Long-term scheduler):
* 又稱工作排班程式(job scheduler)
* 從行程池中選出行程，並且將他們載入記憶體內以便執行
* 短程排班程式(Short-term scheduler):
* 又稱CPU排班程式(CPU scheduler)
* 從記憶體中選出一個已經準備就緒的行程，並將CPU分配給他
* 長程排班程式控制著多元程式規劃的程度(degree of multiprogramming)(在記憶體中行程的數量)
* I/O傾向行程(I/O-bound process):
* 在I/O的時間比計算的時間還多
* 多但短的CPU使用
* CPU傾向行程(CPU-bound process):
* 在計算的時間比I/O的時間還多
* 較少但很長的CPU使用
* 混合行程(process mix):若要使系統有最佳效能，就必須對兩種傾向的行程做組合才行
* 中程排班程式(midium-term scheduler):
* 置換(swapping):有時將行程從記憶體中有效的移開，稍後再放回記憶體
* 藉此降低多元程式規劃的程度

* 行動系統的多工
* 前景(foreground):目前開啟和顯示在螢幕的應用程式
* 背景(background):保留在記憶體中的應用程式，但不佔據螢幕
* 應用程式必須使用一個服務(service)
* 服務(service):代表背景行程執行單獨的應用元件

* 內容轉換
* 內容轉換(context switch):轉換CPU至另一項行程時必須將舊行程的狀態儲存起來，然後再載入新行程的儲存狀態
* 行程內容(context)以PCB表示
* 內容轉換所花費的時間是額外的浪費
* 內容轉換所花費的時間取決於硬體

### 行程的操作(Operations on Processes)
* 行程的產生(Process Creation)
* 父(parent)行程產生子(children)行程，每一個新產生的行程可以再產生其它行程，形成一個行程樹
* 行程識別碼(pid,process identifier):每個行程唯一，被用來做為索引值來存取核心內行程的各種屬性
* 資源分配:
* 父行程與子行程共用全部的資源
* 子行程使用父行程部份的資源
* 不共用
* 執行作法:
* 父行程繼續執行而子行程也同時執行
* 父行程等著它的所有子行程中止後才繼續執行
* 新行程位址空間:
* 子行程是父行程的複製品
* 子行程有一個程式載入其中
* UNIX範例:
* fork():產生新行程，新行程有原行程位址空間的一份拷貝，新行程的fork()傳回碼為0，而新行程的行程識別碼(非0)則會回給原父行程
* exec():在fork()之後使用，以使載入新的程式來替換掉原先行程的記憶體
* 使用這種方式，這兩個行程可以互相溝通，各自執行
* Windows範例:
* CreateProcess():需要載入一個指定程式到子行程記憶體空間，且需要不少於十個參數
* STARTUPINFO(傳給CreateProcess()的參數之一):記載許多新行程的特性
* PROCESS_INGORMSTION(傳給CreateProcess()的參數之一):包含一個新產生形成和它的執行緒的處理器與識別碼

* 行程的結束(Process Termination)
* 通常只有父行程才能使用exit()來中止其子行程，父行程必須能夠區別各個子行程，因此新產生行程的識別名必須傳回給它的父行程
* 行程終止的理由:
* 子行程使用超過配置的資源數量
* 子行程的工作已不再需要
* 父行程結束，而作業系統不允許子行程在父行程結束後繼續執行
* 串接式結束(cascading termination):如果父行程結束，系統不允許子行程繼續存在，由作業系統啟動，強迫結束所有子行程
* wait():可以傳回中止之子行程的識別碼，因此父行程能分辨到底是哪一個子行程中止執行
* 殭屍(zombie):已經結束的行程，但父行程還沒呼叫wait()
* 孤兒(orphan):如果父行程已經結束，但子行程還在執行
* init行程週期性的呼叫wait()讓孤兒可以結束

* 多行程架構(Multiprocess Architecture)
* Chrome瀏覽器使用行程架構:
* 只有一個瀏覽器(browser)行程
* 每個新分頁開啟的網站都是一個渲染器(renderer)行程
* 插件行程
* 當一個渲染器行程錯誤，不會影響到其它分頁
* 當渲染器行程在沙箱(sandbox)中執行，表示存取磁碟和網路是受限的，減少安全漏洞

### 行程間通訊(Interprocess Communication)
* 獨立 V.S 合作
* 獨立行程(independent process):不受其他行程影響、不影響其他行程、不與其他行程共用資料
* 合作行程(cooperating process):受其他行程影響、能影響其他行程、和其他行程共用資料

* 行程合作的目的:
* 資訊共享
* 加速運算
* 模組化
* 方便性

* 行程間通訊(IPC,interprocess communication):
* (a)共用記憶體(shared memory):
* 比訊息傳遞快
* 通常作業系統避免一個行程去存取另一行程的記憶體，共用記憶體則移除此限制
* 資料形式與位置由行程決定，而非作業系統
* 生產者(producer)產生資訊
* 消費者(consumer)消耗資訊
* 緩衝區:允許生產者與消費者同時執行，讓生產者填滿，讓消費者取光
* 無限緩衝區:無大小限制，生產者能不斷生產
* 有限緩衝區:
* 使用環狀陣列
* 邏輯指標in==out時，緩衝區為空
* 邏輯指標(in+1)%BUFFER_SIZE==out時，緩衝區為滿
* producer:
* consumer:
* (b)訊息傳遞(message passing):
* 作業系統提供行程間通訊的設施
* send(message)
* receive(message)
* 一個行程所傳送的訊息大小可能是固定或可變的
* 通訊鏈(communication link):兩行程要互相聯繫，必須存在通訊鏈
* 直接聯繫(direct communication):每個傳送或接收的行程必須確定聯繫者的名稱
* send(P,message)
* receive(Q,message)(對稱)
* 對稱 V.S不對稱
* 對稱:接收與傳送都必須指名
* 不對稱:傳送才須要指名接收者
* 行程定義的模組性受到限制，行程改名後，可能需要檢查所有其它行程
* 間接式聯繫(indirect communication):
* 信箱(mailbox)/port(埠):藉此來傳送與接收訊息
* 每個信箱都有一個識別字
* 只有在兩個行程有共用的信箱時，才能互相聯繫
* 信箱可能是一個行程或是作業系統擁有
* 一個新的信箱由它的所有人產生
* 性質:
* 只有在一對具有共用信箱的行程間才能建立通訊鏈
* 一個鏈可以有兩個以上的行程
* 每對互相通訊的行程間，可能存在數個鏈
* P1、P2、P3共用信箱A，P1傳遞訊息至A，而P2、P3都要接收，到底哪個行程能接收到P1的訊息呢
* 一個鏈最多只能有兩個行程(就不會有此問題了)
* 只有一個行程能接收
* 行程能任意地接收
* 同步(synchronization)/等待(blocking)
* 等待傳送(blocking send):傳送行程等待著，直到接收行程或信箱接收
* 等待接收(blocking receive):接收者等待，直到有訊息出現
* 非同步(asynchronous)/非等待(nonblocking)
* 非等待傳送(nonblocking send):傳送行程送出訊息，並繼續執形
* 非等待接收(nonblocking receive):接收者取回有效訊息或無效資料
* 接收與傳送有不同的組合，當兩者都在等待時，兩者之間就有約會(rendezvous)
* 無論是直接或間接聯繫，經由通訊的訊息是放在一個暫時的佇列
* 零容量(zero capacity):傳送者必須等待，直到接收者收到訊息
* 有限的容量(bounded capacity):若佇列未滿，傳送者可以不需等待，將新訊息放入佇列中，當佇列已滿，傳送者必須等待，直到佇列有可用空間
* 無限制容量(unbounded capacity):不須等待