【CSAPP】进程 | 上下文切换 | 用户视角下的并发进程

💭 写在前面:本文将学习《深入理解计算机系统》的第六章 - 关于异常控制流和系统级 I/O 的 进程部分。CSAPP 是计算机科学经典教材《Computer Systems: A Programmer's Perspective》的缩写,该教材由Randal E. Bryant和David R. O'Hallaron 合著。
📜 本章目录:
0x00 进程(Processes)
0x01 假象:多个进程同时运行(Illusion: Multiprocessing)
0x02 真相:上下文切换(Reality: Context Switching)
0x03 在单处理器中的上下文切换
0x04 在多处理器 / 多核下的上下文切换
0x05 用户视角下的并发进程(User View of Concurrent Processes)
0x06 内核是如何控制的?
0x00 进程(Processes)
"Definition: A process is an instance of a running program"
📚 定义:进程是正在运行的程序的实例。
可以这么说:当可执行文件被加载到内存中时,该程序就成为了一个进程。
- 进程可谓是计算机科学中最成功的想法之一。
- 不同于 "程序" 或 "处理器"。
- 进程具有程序执行的上下文(状态)的能力。
进程为每个程序提供了两个关键抽象:
① 逻辑控制流 (Logical control flow):
- 每个进程 "似乎" 都有自己的 CPU。
- 由称为上下文切换 (virtual memory) 的内核机制提供。
② 私有地址空间 (Private address space)
- 每个进程 "似乎" 都独占内存 (memory)。
- 由称为虚拟内存 (virtual memory) 的内核机制提供。

0x01 假象:多个进程同时运行(Illusion: Multiprocessing)

计算机同时运行多个进程,好像每个进程都有一对专用的 CPU 和内存。
- 一个或多个用户的应用程序(Web 浏览器、编辑器等)
- 后台任务(监控网络和 I/O 设备)
💭 讲个故事来理解:
《重生之我是财阀老板私生子》
韩国某个财阀老板非常滴有钱,他有 3 个私生子,每个私生子都并不知道对方的存在,他们都以为自己是独生子。因为他们彼此不知道对方的存在,所以他们在生活和工作上也没有交集,不会有任何互相的影响(这就是独立性的体现)。财阀老板为了维护自己的独立性:
他就对大儿子说:"儿子,你好好学习,以后老爹钱都是你的。",大儿子一听卧槽真好,高枕无忧,就好好学习,一想到自己以后有钱,就更想学习了。
然后又对二儿子说:"儿子,好好工作,等以后我就把公司给你。",二儿子一听热泪盈眶,于是就好好工作,等着将来有一天可以继承公司。
后来又对三儿子说:"儿子,你好好干活,等你长大老爹的家产交给你!",三儿子知道自己以后会继承老爹的所有财产,开心坏了,就努力的干活。
只要在财阀爹的可承受范围内,孩子要多少钱他都给多少钱,所以三个儿子自然都认为自己有很多钱。财阀老板给他的三个儿子画了一张虚拟的、不存在的大饼,让他们都能努力学习工作干活(这个步骤就是给他们分别建立了进程地址空间)。
上面的故事中,财阀老板就是操作系统,三个私生子就是进程,
财阀老板给他的三个儿子画的大饼,我们就称之为 "进程地址空间"。
所以,进程地址空间并不是物理上存在的概念,而是在逻辑上抽象的一个虚拟的空间。
财阀老板给三个私生子画饼,就是为了维护这三个私生子互相之间的独立性,
如果让私生子知道自己并不是唯一,那以后分割财产必然会造成矛盾,
对他来说自然就不是一件好事。所以,进程地址空间,就是就是给进程画的大饼。
进程地址空间 → 逻辑上抽象的概念 → 让每个进程都认为自己独占系统的所有资源
操作系统通过软件的方式,给进程提供一个软件视角,认为自己是独占系统的所有资源(内存)。
指令学习:在 Linux 服务器上运行 top 命令:

我们可以看到i,系统有 123 项任务,其中 2 项处于活动状态
由 、用户帐户和命令名标识。
0x02 真相:上下文切换(Reality: Context Switching)
进程由驻留在内存中的共享 OS 代码块管理,我们称之为 内核 (kernel)。
注意:内核不是一个单独的进程,而是在进程之间运行并管理它们。
控制流通过 上下文切换 (context switch) 从一个进程传递到另一个进程。

0x03 在单处理器中的上下文切换

单个处理器同时执行多个进程:
- 进程执行交错(多任务)
- 由虚拟内存系统管理的地址空间
- 为保存在内存中的非执行进程注册值

将当前寄存器保存在内存中。

安排下一个执行过程。

加载保存的寄存器和切换地址空间(上下文切换)。
0x04 在多处理器 / 多核下的上下文切换

单个芯片上有多个 CPU,或单个 CPU 中的多个核心。
每个都可以执行一个单独的进程,内核调度进程到核心。
0x05 用户视角下的并发进程(User View of Concurrent Processes)
如果两个进程的执行在时间上重叠 (overlap),则两个进程同时运行,称之为 并发 (concurrent)
否则,它们将按顺序运行,在用户的视角下,A 和 B(或A和C)给我们的感觉是在同时运行:

真实情况是什么样的?在单个处理器中:
一次只能运行一个进程,进程 A 和 B 是交错的,所以给我们一种同时执行的错觉。
当我们有多个 CPU 同时实际运行多个进程时,我们称之为 并行 (parallelism)
注意并发和并行的细微区别!

并行:多个进程在多个 CPU 下分割,同时进行运行,我们称之为并行。
并发:多个进程在单个 CPU 下采用进程切换的方式,在一段时间内,让多个进程都得以推进,称之为并发。
下面我们来理解一下并行与并发。

一般服务器都是双 CPU 的,所以双 CPU 的系统是存在的,就会存在多个进程同时在跑的情况。
如果存在多个 CPU 的情况,任何一个时刻,都有可能有两个进程在同时被运行 —— 并行 。
但我们大家接触的、用的笔记本电脑基本都是单核的,单 CPU 的任何时刻只允许一个进程运行。
我的电脑是单 CPU 的,但是我的电脑中有各种进程都可以在跑啊?怎么肥事啊?
它是怎么做到的呢?

不要认为进程一旦占有 CPU,就会一直执行到结束,才会释放 CPU 资源。
所以一直让它跑,直到进程执行完,是不存在的,我们遇到的大部分操作系统都是 分时 的!
操作系统会给每一个进程,在一次调度周期中,赋予一个 时间片 的概念。
例:一秒钟之内每一个进程至少要被调度20次,每一次调度就是自己代码得以推进的时候。
在一个时间段内,多个进程都会通过 "切换交叉" 的方式,当多个进程的代码,在一段时间内都得到推进 —— 并发。
0x06 内核是如何控制的?
我们不会在程序中编写 "正在运行内核代码" ……
此外,还有另一种机制允许内核控制(我们已经学习过)
物理控制流 (Physical control flow)


📌 [ 笔者 ] 王亦优
📃 [ 更新 ] 2023.3.9
❌ [ 勘误 ] /* 暂无 */
📜 [ 声明 ] 由于作者水平有限,本文有错误和不准确之处在所难免,本人也很想知道这些错误,恳望读者批评指正!
| 📜 参考资料 Computer Systems: A Programmer's Perspective (3rd Edition) C++reference[EB/OL]. []. http://www.cplusplus.com/reference/. Microsoft. MSDN(Microsoft Developer Network)[EB/OL]. []. . |
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