Overview
Process is a program in execution.
Basics
Concept
- sequential not parallel
Process vs Program
- Program becomes process when an executable file is loaded into memory
| 维度 | 程序（Program） | 进程（Process） |
|---|---|---|
| 定义 | 存储在辅助存储（如硬盘）中的静态指令集合，是被动实体 | 程序执行时的动态实例，是主动运行的实体 |
| 属性 | 仅包含指令和数据的静态描述 | 包含程序计数器、内存状态、寄存器值等运行时状态 |
| 生命周期 | 长期存在（除非被删除） | 临时存在（从创建到终止） |
| 资源需求 | 无需占用系统资源（仅存储时占用磁盘空间） | 需要CPU时间、内存、I/O设备等资源 |
| 控制结构 | 无控制块 | 拥有进程控制块（PCB），记录运行状态和资源分配 |
Memory
- Stack: local variables, function parameters, return address
- Heap: dynamic memory allocation
- Data: global variables fixed
- Text: code fixed
Current Process are recorded in PCB
- Program Counter
- Processor Registers
Process State
- New: The process is being created
- Ready: The process is waiting to be assigned to a processor
- Running: Instructions are being executed
- Waiting: The process is waiting for some event to occur
- Terminated: The process has finished execution
Process Control Block (PCB)
- Process ID
- Process State
- Program Counter
- CPU Registers
- Process Memory Address
- CPU Scheduling Information
- Accounting Information
- I/O Status Information
Scheduling
Process scheduler selects among available processes for next execution on CPU core.
Maintains scheduling queues of processes：
- Ready queue
- Wait queue
Context switch
- Save current process state
- Load next process state
- Switch to the next process
切换时间属于纯开销（overhead），受硬件影响（寄存器数量）
Scheduler
- Long-term scheduler: 进程筛选（哪些进程进入ready queue），慢速
- Short-term scheduler: CPU调度（运行哪个进程），实现并发，快速
Operations
Process Creation
- 父进程创造子进程（树状结构）
- resource sharing
- execution : 并发/父进程等待子进程终止
- address space: 复制fork() / 加载新程序exec()
进程执行fork(), 子进程会从父进程上次执行语句的下一句开始执行。
eg. 三次fork(), 产生8个进程。
Process Termination
- 子进程终止（exit）
- 父进程回收子进程的资源（via wait()）
- abort() 级联终止（Cascading termination）
- 孤儿进程（orphan process）：父进程终止，子进程继续运行
- 僵尸进程（zombie process）：子进程终止，父进程未回收资源
- 孤儿进程和僵尸进程的解决方案：init进程（pid=1）
Interprocess Communication
| 维度 | 共享内存 | 消息传递 |
|---|---|---|
| 核心 | 内存共享，直接读写 | 消息中转，间接通信 |
| 速度 | 快 | 慢 |
| 复杂度 | 高（需同步） | 低（系统抽象） |
| 适用场景 | 单机高频、紧耦合 | 分布式、松耦合 |
| 同步机制 | 显式同步（如互斥锁、信号量） | 隐式同步（如消息队列） |
| 可扩展性 | 差（受限于内存大小） | 好（分布式扩展） |
Shared Memory
Producer process produces information that is consumed by a consumer process
- Unbounded buffer
- Bounded buffer
Message Passing
Direct Communication
显式命名
通信链路：需显式建立和关闭
示例：
进程 A 调用send(B, “Hello”)，直接向进程 B 发送消息。
进程 B 通过receive(A, msg)接收来自 A 的消息。
Indirect Communication
Messages are directed to and received from mailboxes (also referred to as ports)
- Each mailbox has a unique ID
- Processes can communicate only if they share a mailbox
Synchronous （同步）
- Blocking
- 发送方直到接收方准备好，一直阻塞，直到消息被接收
- 接收方直到消息接收，一直阻塞
- Non-blocking
Pipe
管道是一种半双工的通信通道，允许一个进程的输出直接作为另一个进程的输入。
本质是借助内核缓冲区实现的伪文件。
Require parent-child relationship.
Ordinary Pipe / Anonymous Pipe
数据只能从管道的写入端流向读取端，具有单向性。
需要通信进程之间存在父子关系且在同一台机器上。
Named Pipe
Communication is bidirectional.
No parent-child relationship
Communication in Client-Server Systems
Socket
IP 地址用于唯一标识网络中的设备，而端口号则用于区分同一设备上的不同网络服务，定位具体进程。
Create a socket:
- Server side
- bind()
- listen()
- accept()
- read() / write()
- close()
- Client side
- connect()
- read() / write()
- close()
每一个连接都具有唯一的套接字对，进程间只能交换简单字节流，无法相互转发有结构的数据包。
Remote Procedure Call
RPC 是一种分布式计算的通信协议，允许一个进程调用另一个进程中的函数。
RPC 通过网络通信，将本地函数调用转换为远程函数调用。
- 本地调用：
- 调用本地函数
- 返回结果
