个人主页MSTcheng · CSDN代码仓库MSTcheng · Gitee 精选专栏:《C语言》《数据结构》 《算法学习》《C由浅入深》《Linux操作系统》《Mysql数据库》 《白话大模型》座右铭路虽远行则将至事虽难做则必成在上篇文章中我们为大家介绍了冯·诺依曼体系结构并建立了对操作系统的宏观理解。本篇我们将正式踏入进程部分的学习之旅。上一篇介绍冯诺依曼的体系结构【Linux进程篇】Linux学习第十二弹——为什么 CPU 只和内存说话进程前必懂的底层逻辑文章目录一、进程的引入什么是进程、什么不是进程1.1 直观认识进程 task任务1.2 那什么不是进程程序 ≠ 进程2.3 关键理解是谁帮你加载2.4 进程的精确定义二、PCB进程控制块重点中的重点2.1、PCB 与 task_struct2.2 为什么操作系统原理很难听懂学科哲学2.3、task_struct 内部的常见属性宏观分类2.3.1. 标识符Identifier2.3.2. 状态Status2.3.3. 优先级Priority2.3.4. 程序计数器Program Counter简称 PC⭐⭐⭐2.4 内存指针Memory Pointer⭐⭐⭐2.5. 记账信息Accounting三、task_struct中的上下文数据与进程切换重点点内容3.1. 一个进程会把 CPU 占完才让出来吗3.2 时间片Time Slice与时间片轮转3.3 进程切换保存上下文 恢复上下文关键3.4 上下文保存到哪寄存器只有一套四、总结一、进程的引入什么是进程、什么不是进程1.1 直观认识进程 task任务你在 Windows 启动的画图板、浏览器、各种软件手机上打开的 APP本质上都是一个进程。进程的英文是task直译过来叫任务。既定事实一一个系统内可以同时启动很多进程。既定事实二进程在没有成为进程之前它就是磁盘上的一个可执行程序编译好的二进制文件如.exe装在磁盘特定路径下靠快捷方式使用。双击.exe、点击 APP、Linux 里./xxx运行程序站在操作系统层面上都叫来活了 / 来任务了 ——本质都是在启动进程1.2 那什么不是进程程序 ≠ 进程程序 磁盘上的一份文件只有代码 数据代码如 for/while 循环数据如各种变量最终对计算机都是 0/1 二进制信息。程序不是进程。只把程序加载到内存也不是进程。那什么才算是进程“加载到内存的代码和数据” “描述该进程的结构体”两者合起来才叫进程。2.3 关键理解是谁帮你加载程序要运行必须先加载到内存内存里得预先装有操作系统——每次开机第一件事就是先加载 OS。谁来帮你加载操作系统帮你加载。例如把磁盘文件导入内存本质是一次import操作。系统里大量程序同时要加载运行谁先谁后这时操作系统必须能够把这些加载到内存里的程序全部管理起来。如何管理先描述再组织2.4 进程的精确定义进程 内核数据结构描述该进程的结构体 该进程自己的代码和数据一个进程有一个描述它的结构体内核提供的、描述进程属性的结构体通过该结构体可以管理进程的代码和数据。操作系统对进程的管理 把这个结构体对象用链表各种结构组织起来 → 转化成了对链表的增删查改。组织的新变化有进程 → 加载代码数据 → 创建描述结构体 → 建立关联 → 把结构体挂到链表上。一张图来总结上面的核心内容所以真正的进程核心更重要的反而是操作系统内描述该进程的结构体及其属性字段。下面我们就来了解一下操作系统内描述该进程的结构体以及属性字段都有什么内容二、PCB进程控制块重点中的重点2.1、PCB与task_struct在操作系统的学科理论中描述进程的结构体叫PCB Process Control Block进程控制块。所有操作系统教材都这么叫。2.2 为什么操作系统原理很难听懂学科哲学教材只告诉你概念却不告诉你具体实现。因为操作系统原理讲的内容放在任何一款具体操作系统上都必须是对的必须有进程、线程、调度、切换、保存上下文、优先级排队。但一讲到具体实现不同操作系统做法就不同Linux 和 Windows 描述进程、调度切换的细节肯定不一样。所以操作系统原理这门课 计算机学科的哲学哲学 放哪儿都对就像生产关系决定生产力这句话在哪儿都成立。放到具体实现上Linux中描述进程属性的结构体叫struct task_struct任务控制块。PCB是所有操作系统学科里描述进程控制块的总称task_struct是PCB在Linux下的具体一种。Windows / macOS 的具体结构体叫什么不重要源码未开源、意义不大。关键理解task_struct里一定有指向自己代码和数据的指针必须指向自己的不能指别人的——后续会学如何间接找到自己的代码数据。操作系统管理进程本质管理的是内核数据结构task_struct而不是管理进程的代码数据本身。2.3、task_struct内部的常见属性宏观分类2.3.1. 标识符Identifier进程太多怎么区分谁先谁后、彼此不同靠标识符。类比学生的学号、公司员工的工号、社会的身份证号。标识符就是PIDProcess ID进程标识符本质是一个整型整数如 1234它用来标识系统中唯一一个进程一个进程可能还有不止一个标识符但核心的标识符是 PID。2.3.2. 状态Status进程运行有不同状态运行、暂停、停止、休眠、新建、死亡如网易云点暂停/播放。从理解角度状态在结构体内就是个枚举类型 / 整型变量——用整数表示如 1运行、2暂停、3退出。⭐贯穿结构体属性学习的重要思想task_struct里所有属性无论名字多抽象状态、优先级、标识符…最终一定是一个结构体里的属性一定是一种数据类型int / long / float / 自定义结构体的变量。把抽象概念翻译成结构体里的某个整数/变量就轻松理解了。2.3.3. 优先级Priority类比食堂排队打饭排队的本质其实就是确认优先级。队头的先打饭先到的进程先享受资源——CPU队尾的后得。本质排队的本质就是决定谁先得、谁后得某种资源。对进程来说顶级的资源就是CPU。为什么存在优先级→因为资源少、人多。如果学校给每个同学开一个打饭窗口那么就不需要优先级了一句话本质优先级存在的原因是资源不足、竞争对象太多进程有几十上百个CPU 只有一块/几核几核几永远不够。优先级解决人多资源少的问题现实世界里也到处是优先级筛选高考分数 优先级面试成绩 优先级。从结构体角度优先级也是一个整型变量一般数字越小代表优先级越高类似考试成绩排名。2.3.4. 程序计数器Program Counter简称PC⭐⭐⭐先建立背景知识——CPU内寄存器程序运行时会形成很多临时数据保保存在 CPU 内部的寄存器里。x86 寄存器详解通用寄存器EAX、EBX、ECX、EDX、指针寄存器EBP、ESP、程序计数器EIP指令指针、标志寄存器EFLAGS、段寄存器CS、DS、ES 等。举一个 C 语言的例子理解临时数据如何返回intadd(){intzxy;// z 是临时变量只在函数内有效returnz;// 怎么把 z 的值返回给外部 result}函数计算时x、y被载入 CPU 寄存器加号被 CPU 识别计算结果z存在寄存器中同时在内存里也有一份因为确实有这个变量。return z编译成汇编后实际是move——寄存器里的结果值move到result变量中于是成功把返回值传出去。所以一个函数的返回值是通过寄存器传递的。引申这段临时数据程序执行过程在 CPU 寄存器里形成的就叫临时数据 / 上下文。程序计数器EIP / PC / Program CounterCPU 执行不是你代码一口气全跑完而是一行一行从上到下依次执行你写 50 行代码编译后可能变成 500 行汇编指令。怎么知道当前执行到第几行靠寄存器EIPInstruction Pointer指令指针也叫PCProgram Counter程序计数器。作用记录当前正在执行或即将被执行指令的下一条指令的地址。执行完一条指令EIP 自动 指向下一条。CPU 每次问 EIP下次执行哪条EIP 指向谁CPU 就去读谁。为什么程序计数器要在task_struct中单独列出→ 因为它和进程切换强相关比喻你吃饭吃一半有人打电话你出去接回来还得继续从没吃完的地方接着吃不能重新打一份。一个进程500 行代码执行到第 300 行时可能被切走将来回来必须从第 301 行开始不能从头重跑。因此必须把执行到什么位置记录下来 → 靠 EIP。直接理解为程序计数器在结构体里也是个整型变量即可。关与进程调度相关的内容在后面学习进程切换调度的时候会重点学习这里只是稍微了解如果上面的内容看着有点懵那下面这张图则会让你有更直观更清晰的感受2.4 内存指针Memory Pointer⭐⭐⭐一个进程一个 PCB。CPU 要执行代码时不是执行这个结构体而是通过结构体找到你对应的程序代码和数据内存指针的作用CPU 调度使用它 → 通过task_struct找到进程的代码、数据和相关的执行信息从而真正去执行你的代码。凡是具有指向性的都是指针。2.5. 记账信息Accounting处理器切换调度时会用你的 CPU累计执行了多长时间、优先级是多少、总共被调度了多少时间、用了多少时钟。为什么重要两个进程优先级相同都是 10但一个已经累计调度了 10 秒另一个只被调度了 1 秒调度时应优先选择只被调度 1 秒的体现公平。这些衡量进程运行总时间的信息都叫记账信息。*以上就是task_struct内部的常见属性上面忽略了IO状态信息(IO章节专门介绍)以及忽略了上下文数据下面重点讲三、task_struct中的上下文数据与进程切换重点点内容上一节我们认识了task_struct的常见属性其中程序计数器PC比较特殊它记录的不是进程“长什么样”而是进程执行到哪一行了。正因如此它与“进程切换”密切相关。不过在展开“切换”之前先明确一件事进程要真正跑起来其代码最终得挂到CPU上执行。可以类比食堂打饭打饭窗口只有一个想吃饭的同学却有一大堆。如果每个同学都得把一整顿饭吃完才让位排在后面的同学全得饿死。CPU与进程的关系也是如此——CPU只有一块进程却有很多个。这样一来一个很自然的问题就出现了一个进程会把CPU占完才让出来吗下面我们就从这个最朴素的疑问开始。3.1. 一个进程会把 CPU 占完才让出来吗答案不是。一个进程不会把自己的全部代码跑完才让出 CPU。反证如果单核 CPU 上执行着一个while(1)的死循环代码如果死循环真的会占死 CPU那机器就直接卡死操作系统自己的代码都无法运行了。这显然是不会的当代操作系统会给 每一个进程 分配一个时间片时间片跑完 就自动让出 CPU然后另一个进程换上。从而实现比较公平的资源分配3.2 时间片Time Slice与时间片轮转时间片比如有 10 个进程把 1 秒分给每个进程10ms一个进程上去只占 CPU10ms时间一到操作系统立刻把该进程从 CPU 上剥离再从所有进程里重新选一个放上去。这种调度方式叫基于时间片的轮转调度。简单理解10 个进程各 10ms跑一轮 100ms每个进程能被执行 10 次。进程的执行时间不是从头到尾一直给它的执行到一定程度没执行完就可能让出 CPU。3.3 进程切换保存上下文 恢复上下文关键当兵 / 保留学籍的比喻大二学生去当兵 → 不能直接走否则被当退学要先让导员保留学籍记住宿舍床位、修了多少门课50 门修了 20 门、现在大几、什么专业。当兵两年回来 → 告诉学校我回来了导员恢复学籍。保留学籍 / 恢复学籍 保存上下文 / 恢复上下文。任何保存动作都是为了恢复昨晚剩饭放冰箱就是为了第二天吃。这里的上下文到底是谁当一个进程因时间片到而暂停、切出去让另一个进程运行时它要保存的上下文 当前进程执行时 CPU 寄存器内的临时数据。切换前保存上下文切换回来恢复上下文。而EIP保存的正是当前执行到什么位置走的时候把执行位置记下来回来时把执行位置恢复到 CPU 上就能从上次停下的位置继续执行→这就是现场保存与恢复也就是切换的核心思路。3.4 上下文保存到哪寄存器只有一套重要结论一先看清一个背景进程切换发生在 CPU 上但 CPU 里的寄存器硬件只有一套就那几十个。一套寄存器要服务几十上百个进程靠的不是多配几套硬件靠的是 在不同时间段 存不同进程的数据。所以寄存器的“空间”左值/变量只有一份但寄存器里的“内容”数据/右值/上下文可以有多份。一定要区分变量的空间和变量里的内容两个概念int a 10开辟 4 字节空间只有一份但空间里一会儿写 2、写 3、写 4可以随便改。上下文指的是寄存器里的数据右值不是寄存器本身左值。结论上下文数据属于进程私有的数据每个进程都有一份自己的上下文数据。重要结论二老式内核的存储位置既然寄存器只有一套进程一旦被切走它那份上下文数据就得先从寄存器里挪出来。挪到哪儿老式内核的做法是放进当前进程自己的PCB里。老式操作系统如 Linux 0.11中进程把 CPU 的硬件上下文保存到当前进程的 PCBtask_struct里——因为都在内存里。具体在 task_struct 里有一个结构体叫TSSTask State Segment任务状态段内部套着各种寄存器变量AX、BX、CX、DX 等通用寄存器、段寄存器等每个 32 位。所以有个属性名叫上下文数据进程切走时把寄存器值写到 task_struct 的 TSS 中恢复时再写回 CPU 寄存器。新式内核2.6 等严格说新式内核并不是“再拿一个指针指向别处”而是把进程切换要用的硬件上下文从 TSS 挪到了task_struct的thread成员里。这个成员的类型叫struct thread_struct线程结构体ip、sp等寄存器上下文都保存在它里面。补充一句这些内核线程最初是由0 号进程PID0创建出来的。原来的 TSS 则退化成“每个 CPU 一份”主要只负责记内核栈指针。所以上下文信息仍能通过task_struct找到——老式“档案袋自己带走”新式“档案进档案室、凭thread成员查”。再来一张图让你更清晰的理顺逻辑一句话就是上下文是进程私有的保存的副本也只是存在进程task_struct内嵌的thread_struct(结构体) 中不会保存在 CPU 寄存器中而且上下文保存在thread_struct中是内存级的(进程结束资源被释放数据就被销毁了) 因为进程要执行要被加载到内存内存中就有描述该进程的结构体CPU 拿到上一次被切换的进程时从它的task_struct内嵌的thread_struct中找到该进程的上下文然后执行当下一个进程来的时候寄存器使用的就是下一个进程的数据了与上一个进程无关四、总结进程的本质进程 内核描述它的结构体 它自己的代码和数据其中描述结构体才是操作系统管理的核心。Linux 中的描述结构体叫task_struct它是PCB在 Linux 下的具体实现标识符、状态、优先级、程序计数器、内存指针、记账信息等本质上都是结构体里的一个个变量。进程切换的关键CPU 寄存器硬件只有一套进程靠时间片轮转轮流使用 CPU。上下文数据切换时要保存的就是进程运行时 CPU 寄存器里的临时数据它属于进程私有每个进程一份。上下文保存位置老式内核保存在task_struct的TSS中新式内核则保存在task_struct内嵌的thread_struct中共同点是——都能通过task_struct找到。一句话总结先描述、再组织描述靠task_struct切换靠上下文保存与恢复的关键始终绕不开task_struct。