3.计算机是如何工作的（进程调度与管理详解）

目录

一、前言回顾

计算机是如何工作

操作系统

进程（任务）

进程管理

PCB 核心属性

二、本课内容

进程调度

4. 进程状态

5. 进程的优先级

6. 进程的上下文

7. 进程的记账信息

PCB 属性汇总

进程隔离性

进程间通信

一、前言回顾

计算机是如何工作

CPU 的工作过程~

以3 + 14为例，对应的指令序列为：

• LOAD A

• LOAD B

• ADD

• SAVE A

CPU 执行指令分为三步：

1. 取指令

2. 解析指令

3. 执行指令

操作系统

操作系统的核心作用：

1. 对下，管理各种硬件设备

2. 对上，给各种软件提供稳定的运行环境~

进程（任务）

• 运行起来的程序~

• 二进制的可执行文件（硬盘）→ 运行后得到进程（内存）

• 进程是操作系统资源分配的基本单位。

进程管理

进程管理的两个核心动作：

1. 描述：使用 PCB 结构体，把进程的各种属性表示出来。

2. 组织：通过双向链表，把多个 PCB 串起来~~

PCB 核心属性

PCB（进程控制块）的核心属性包括：

1. PID

2. 内存指针

3. 文件描述符表

二、本课内容

进程调度

假设 CPU 核心有 20 个，但进程数上百个。如何利用有限的 CPU 核心，让这么多进程“同时执行”？

CPU 通过并行和并发两种方式实现：

• 并行：两个 CPU 核心，分别执行不同进程的指令。

• 并发：一个 CPU 核心，通过“分时复用”方式，实现“同时执行”（CPU 单核心时代，多任务操作系统全靠并发）。

→ 程序员感知不到 N 个进程之间是并行还是并发，都是操作系统自身负责调度的。咱们写代码，不关心并行还是并发，后续把并行和并发统称为并发。

4. 进程状态

进程有很多种状态，简单理解分成两种：

1. 就绪：默认情况下，ABC 三个同事都处于“就绪”状态（“随时可安排工作”）。

2. 阻塞：比如有一天，A 要出差~~ 出差的时间里，就无法给 A 安排工作了吧~~ 此时“阻塞”。阻塞意味着该进程无法参与到 CPU 的调度执行上~~

以前也接触过阻塞~​

像scanner.nextInt()这样的代码会使你的进程阻塞~~

System.out.println("请输入要插入的 id："); int id = scanner.nextInt();

这里是需要等待用户输入的~~

5. 进程的优先级

ABC 我排工作日程的时候，不是完全公平的~~

• 周一周二周三：安排 A 的工作 （A 负责核心模块开发，优先级高）

• 周四周五周六：安排 B 的工作 （B 负责测试联调，也是重要任务）

• 至于 C，看整体进度了~~ 假设如果 B 的工作遇到阻塞，把 B 的时间匀出来一天，给 C 安排工作~~

进程的优先级，决定了哪个进程要优先安排 CPU 资源~~

你的电脑上，同时运行着开发环境和即时通讯软件​

同事发来紧急消息，需要立即响应 → 实时操作~~ 有更多的 CPU 资源~~

有些特殊设备，优先级更关键~~ 汽车的智能驾驶系统~~ 负责刹车任务，优先级一定得是最高的~~

6. 进程的上下文

一个进程调度到 CPU 上执行了，离开 CPU，过一段时间，还会回到 CPU 上~~

• 离开时：保存信息（类似于项目的存档功能~~）

• 回来时：继续之前的位置往下执行（读档）

在给 ABC 三位同事安排工作的过程中，需要准备“工作日志”详细记录每次工作后的进度~~ 把关键事务记录下来~~

• 我在安排 A 的工作时，A 说：下周一要提交模块一的设计文档，你记得跟进一下~~ 我说好的，于是就需要记录到工作日志上~~

• 我在安排 B 的工作时，B 说：下周三要和客户联调，需要提前准备测试数据，你也跟进一下~~ 我也说好的，也需要记录到工作日志上~~

→ 这就是上下文~~

CPU 内部有很多寄存器~~ 用于保存当前程序运行的一些中间状态~~

除了保存数据的寄存器之外，还有一些特殊的寄存器：

• 记录当前指令执行到哪一条了~~

• 记录当前程序的函数调用关系

进程在 CPU 上执行的时候~~ 寄存器的值不停发生变换~~

进程要离开 CPU 的时候，把这一时刻，CPU 上这些寄存器的值，全都拷贝出来，保存到内存里（PCB 的结构体）→保存上下文（存档）​

进程后续回到 CPU，也是把之前 PCB 保存的这些寄存器的值，重写入到 CPU 的寄存器中~~→恢复上下文（读档）​

上述功能操作系统内部实现好了~~

7. 进程的记账信息

统计机制，统计每个进程，都在 CPU 上运行了多久~~

优先级机制下，就可能使某个进程吃到的 cpu 资源非常少。通过记账信息，识别出这一点，从而灵活调整，给这个进程多分点资源~~

PCB 属性汇总

PCB 中属性非常非常多~~ 包括：

1. PID

2. 内存指针

3. 文件描述符表

4. 状态

5. 优先级

6. 上下文

7. 记账信息

→ 这些属性支撑进程调度~~

进程隔离性

• 每个进程有自己独立的内存空间（进程的隔离性）

• 事务隔离性：多个事务同时执行，不要相互影响

• 进程隔离性：多个进程执行的时候，也不要相互影响~~

之前学 C 的时候，指针~~

int* p = &a; *p = 100;

p = 0xaabbccdd → 能否通过这样的 *p 操作，修改别的进程的内存数据呢？

→不能~~​

操作系统要给应用程序提供稳定的运行环境~~ 操作系统给每个进程划分了独立的内存地址空间~~ 每个进程只能访问自己的内存数据~~ 无法访问别的进程的内容~~​

进程间通信

如果确实有时候需要多个进程协同工作~~ ⇒ 进程间通信了~~

常见的进程间通信方式：

1. 管道

2. 共享内存

3. 文件

4. 网络

5. 信号量

6. 信号

在 Java 生态中，不鼓励使用多进程编程。​

这些机制很多在 JVM 中并没有封装~~

确实想进行多进程编程，Java 的生态中最推荐的方式是：网络​