第三课：进程 (Process)

从第二课的讨论中，我们已经了解：

• 在 user processes 与 kernel 之间切换
• kernel 可以切换不同的用户进程，实现并发
• 保护 user processes 之间，以及 user processes 与 kernel 之间互不干扰

但你可能会有很多疑问：

• OS 如何表示进程？
• OS 如何选取下一个运行的进程？
• OS 在切换进程时，如何记录进程的运行时信息？
• kernel 的 stack、heap 是怎样的？
• 大量切换进程，同时记录它们的运行时信息，会不会浪费内存？

本节我们就将进入这些细节中了解 OS 中的进程。

Process Control Block (PCB)

在 Kernel 中用于表示用户进程的数据结构叫作 PCB。PCB 包含进程的重要信息，如：

• 进程状态 (running, ready, blocked, ...)
• 寄存器状态
• Process Id (PID)、用户、优先级……
• 执行时间……
• 内存空间、地址转化信息……

Kernel Scheduler

Kernel Scheduler 将这些 PCB 组织起来，利用一些 scheduling algorithms 来选择下一个运行的进程，这个过程可以用如下代码概括：

while (true) {
    if (readyProcesses(PCBs)) {
        nextPCB = selectProcess(PCBs);
        run(nextPCB);
    } else {
        run_idle_process();
    }
}

代码中的 selectProcess，就隐藏着五花八门的调度策略。但不论是哪种调度策略，都需要考虑公平与效率，这在现实生活中也是如此。

Safe Kernel Mode Transfers

实现 user mode 到 kernel mode 的安全转变，需要许多细节来保证。

• kernel 拥有自己的 kernel stack，kernel stack 与 user stack 不可以有公用的部分
• 转变的过程必须完全可控，包括用户进程运行时环境的保存，system call 的参数移动（从 user space 到 kernel space）、参数检查以及运行结果从 kernel space 返回到 user space 的过程。

转变的例子如下图所示：

（图1）before

（图2）after