第二章 進程

作者：Allen B. Downey

原文：Chapter 2 Processes

譯者：飛龍

協議：CC BY-NC-SA 4.0

2.1 抽象和虛擬化

在我們談論進程之前，我打算先定義幾個東西：

• 抽象（Abstraction）：抽象是復雜事物的簡單表示。例如，如果你開車的話，應該知道車輪向左轉的時候車也會向左行駛，反之亦然。當然，方向盤由一系列機械和傳動系統所連接，用于使輪子轉向，并且輪子和路面的相互作用方式也很復雜。但是作為一個司機，你通常不需要考慮這些細節。你可以僅僅建立方向盤的心智模型，這種心智模型就是一個抽象。

  軟件工程的很大一部分就是設計類似這樣的抽象，允許用戶和其它程序員使用強大而復雜的系統，而不必知道其實現的細節。
  

• 虛擬化（Virtualization）：一類非常重要的抽象就是虛擬化，它是創建可取的幻像的過程。例如，許多公共圖書館都參與了館際合作，允許它們互相借閱圖書。當我需要一本書時，有時它在我的本地圖書館的架子上，但更多情況下它會被運到其它的館藏中。無論是哪一種，我都會收到它可借閱的提醒。我并不需要知道它來自哪里，我也不需要知道我的圖書館擁有哪一本書。一般來說，這個系統創建了一個幻象，好像我的圖書館擁有全世界的每一本書。

  在物理上，我的圖書館的館藏可能很小，但是虛擬上我能獲得的館藏包含了館際合作的每一本書。另外一個例子，大多數電腦都只連接到一個網絡中，而這個網絡又鏈接到其它網絡，等等。我們所談論的“互聯網”，是一系列網絡和協議的合集，它將數據包從一個網絡傳送到另一個網絡。從用戶和程序員的角度來看，整個系統的行為就像是互聯網的每臺計算機都互相連接。物理連接的數量十分少，但是虛擬連接的數量十分龐大。
  

“虛擬”這個詞通常用于虛擬機的語境中，它是一種軟件，可以創建運行特定系統的專用計算機的幻象。實際上，虛擬機可能和其它虛擬機一起運行在不同的操作系統上。

在虛擬化的語境中，我們通常把真實發生的事情叫做“物理的”，而把虛擬上發生的事情叫做“邏輯的”或者“抽象的”。

2.2 隔離

工程最重要的原則之一就是隔離（Isolation）：當你設計一個帶有多個組件的系統時，將它彼此隔離是個很好的方法，這樣某個組件中的改變就不會對其它組件造成不良影響。

操作系統最重要的目標之一，就是將每個進程和其它進程隔離，使程序員不必考慮每個可能的交互情況。提供這種隔離的軟件對象叫做進程（Process）。

進程是表示運行中程序的軟件對象。我按照面向對象編程把它稱之為“軟件對象”。工程一個對象包含數據，并且提供用于操作數據的方法。進程正是包含以下數據的對象：

• 程序文本，通常是機器語言的指令序列。

• 程序相關的數據，包括靜態數據（編譯時分配）和動態數據，后者包括運行時的棧和堆。

• 任何等待中的IO狀態。例如，如果進程正在等待從磁盤中讀取的數據，或者從網絡到達的數據包，這些操作的狀態也是進程的一部分。

• 程序的硬件狀態，這包括儲存在寄存器中的數據，狀態信息，以及程序計數器，它表示當前執行了哪個指令。

通常一個進程運行一個程序，但是對于進程來說，加載并運行新的程序也是可能的。

也可以在多于一個進程中運行相同的程序，這非常常見。這種情況下，各個進程共享程序文本，但是擁有不同的數據和硬件狀態。

大多數操作系統提供了隔離進程的基本功能：

• 多任務：大多數操作系統有能力在幾乎任何時候中斷一個進程，保存它的硬件狀態，并且在以后恢復它。通常，程序員不需要考慮這些中斷。程序的行為就像在一個專用的處理器上持續運行，除了兩條指令之間的時間是不可預測的。

• 虛擬內存：大多數操作系統會創建幻象，每個進程看似擁有獨立內存片并且孤立于其他進程。同樣，程序員通常也不需要考慮虛擬內存如何工作，他們可以當做每個程序都擁有專用的內存片來處理。

• 設備抽象：運行于同一臺計算機的進程共享磁盤、網絡接口、顯卡和其它硬件。如果進程直接和這些硬件交互而不加協調，就一定會產生混亂。例如，一個進程預期的網絡數據可能會被另一個進程讀取。或者多個進程可能嘗試在磁盤的相同位置儲存數據。操作系統負責通過提供合適的抽象來維持秩序。

作為程序員，你不需要知道太多關于這些功能如何實現的事情。但是如果你很好奇，你可以在這個屏蔽層的后面發現一大堆有趣的事情。而且，如果你知道其中所發生的事情，你會成為更好的程序員。

2.3 Unix 進程

當我寫這本書的時候，我最關注的進程就是我的文本編輯器，Emacs。偶爾我也會切換到終端窗口，它是一個運行Unix shell并提供命令行接口的窗口。

當我移動鼠標時，窗口的管理器會被喚醒，看到鼠標在終端窗口上方，并且喚醒終端。終端又喚醒shell。如果我在shell中鍵入make，它就會創建一個新的進程來運行Make。Make會創建另一個進程來運行LaTeX，之后另一個進程會顯示結果。

如果我需要查詢一些東西，我會切換到另一個桌面，這會再次喚醒窗口管理器。如果我點擊Web瀏覽器的圖標，窗口管理器會創建進行來運行Web瀏覽器。許多瀏覽器，類似Chrome，會為每個窗口和每個選項卡創建新的進程。

并且這些只是我所了解的進程，同時還有許多其它進程“在后臺”運行。它們中許多都在執行操作系統相關的工作。

Unix命令ps能打印出運行中進程的信息。如果你在終端里運行它，可能會看到這些：

  PID TTY          TIME CMD2687 pts/1    00:00:00 bash2801 pts/1    00:01:24 emacs
24762 pts/1    00:00:00 ps

第一列是唯一的進程ID。第二列是創建進程的終端，“TTY”代表“電傳打字機”（Teletypewriter），它是原始的機械終端。

第三行是用于該進程的處理器時間總計，依次為時、分、秒。最后一行是所運行進程的名稱。這個例子中，bash是shell的名稱，用于解釋我鍵入到終端中的命令。Emacs是我的文本編輯器，而ps是生成這份輸出的程序。

通常，ps只會列出有關當前終端的進程。如果你使用-e選項，你會得到所有進程（也包括屬于其他用戶的進程，我認為這是個安全缺陷）。

在我的系統上有233個進程，下面是它們的一部分：

  PID TTY          TIME CMD1 ?        00:00:17 init2 ?        00:00:00 kthreadd3 ?        00:00:02 ksoftirqd/04 ?        00:00:00 kworker/0:08 ?        00:00:00 migration/09 ?        00:00:00 rcu_bh10 ?        00:00:16 rcu_sched47 ?        00:00:00 cpuset48 ?        00:00:00 khelper49 ?        00:00:00 kdevtmpfs50 ?        00:00:00 netns51 ?        00:00:00 bdi-default52 ?        00:00:00 kintegrityd53 ?        00:00:00 kblockd54 ?        00:00:00 ata_sff55 ?        00:00:00 khubd56 ?        00:00:00 md57 ?        00:00:00 devfreq_wq

init是操作系統啟動時首先創建的進程。它又會創建許多其它進程，之后會閑置，直到它創建的進程運行完畢。

kthreadd是操作系統用于創建新的“線程”的進程。之后我們將會談論更多關于線程的東西，但是你暫時你可以認為線程是一種進程。