多進程圖像

操作系統記錄進程，并按照合理的次序交替推進(分配資源，不斷調度)，提高CPU利用率和程序執行速度，這就是操作系統的多進程圖像。

當操作系統啟動時，多進程圖像就出現了。 在linux內核源碼main.c文件中，對操作系統初始化時，通過fork()系統調用啟動了1號進程，進行初始化，再啟動shell。 在shell中，我們輸入命令時，會再調用fork()啟動其他進程。

// main.c
if (!fork()) {init();
}// shell
while(1) {scanf("%s", cmd);if (!fork()) {exce(cmd);}wait();
}

在windows中我們可以通過任務管理器看到所有進程，Linux可以通過輸入top或ps命令查看進程，這就實現了進程的可視化。

組織調度交替執行進程

進程隊列

操作系統會將進程劃分成不同的隊列，并用PCB來記錄進程信息。

比如有的進程正在執行的隊列，有的進程在等待被執行的隊列，有的進程在等待硬盤讀取結果的隊列，還有的進程在已經執行結束的隊列。

其實跟我們在食堂排隊一樣，一條隊伍排隊等著打飯，一條隊伍排隊等著打菜，一條隊伍排隊等著打湯。

進程狀態

操作系統通過進程的狀態來劃分不同的隊列。

新建態，剛剛被創建，分配資源。

就緒態，進程已經可以被執行了，等待CPU中。

運行態，進程正在被CPU執行。

阻塞態，進程正在等待，磁盤等IO操作完成返回結果。

終止態，進程執行結束。

操作系統對通過狀態的不同管理進程，將相同狀態的進程連接成一個隊列，通過調度算法不斷交替執行進程，改變進程狀態，從而推進多個進程不斷向前推進。

進程的管理和我們現實生活中處理方式一樣，比如我們去政府大廳辦事，不同窗口的工作人員就是CPU。 在機器正在掃碼領取排隊號的人就處于新建態，正在辦理業務的人就處于運行態，坐在椅子上等的人就處于就緒態，而辦理業務的時候發現身份證沒帶，去一邊等朋友送身份證的人就是阻塞態，辦理完了的人就處于終止態了。

調度算法

進程數量遠大于CPU數量，操作系統就要對進程進行調度，如果調度不合理也會導致效率低的問題，極端情況下CPU無事可干，再比如有的進程比較重要需要優先執行完，操作系統還需要將CPU資源優先分配給這類進程。

總之一個好的調度算法非常重要，這也是很多計算機科學家在不斷研究推進的一個課題。

最簡單的調度算法就是FIFO+優先級。 FIFO就是先進先出算法，高優先級的先被執行，相同優先級下，先進入隊列的先被執行，后進入隊列的后執行。

其他調度算法有興趣可以慢慢研究。

進程切換

進程切換首先修改PCB中的狀態值，并插入到對應的狀態隊列中。

調用schedule()模塊進行切換，getNext()可以理解成內部實現了一個調度算法，從就緒隊列中取出下一個可被執行的進程。

PCB信息切換，switch_to()就先保存被切換的進程信息，再初始化或恢復即將執行的進程信息。

代碼只是簡單描述，實際工作非常復雜。

其實對照我們上面的描述，先將資源，比如寄存器中的值保存到當前進程的PCB中。然后將即將執行的進程信息從PCB中恢復或初始化，比如PCB中保存的寄存器值賦值給寄存器。

多進程的內存隔離

多進程執行過程可能遇到下圖這個問題。

當進程1使用數據的內存地址是進程2代碼的指令地址。 當進程1執行的過程中，有可能在0x100地址寫入新值，導致進程2被破壞無法執行。

這個問題解決的辦法就是將不同進程使用的內存進行空間分離。

因此需要有個中間帶進行隔離，在進程和物理內存之間引入映射表。 進程使用的內存地址，通過映射表轉換成物理內存地址，從而使不同進程的內存地址進行分離。

如下圖所示，雖然進程1和進程2都使用了內存地址0x100，但是通過映射表獲取的物理地址分別是0x780和0x1260。

操作系統為每個進程的設置的映射表，是按照一定映射規則來的，具體細節不去研究，但是可以保證內存地址空間分離，每個進程都在自己的一畝三分地里面執行。

就好比南京和福州都有鼓樓區，雖然名字一樣，但是南京和福州空間已經分離了，所以各地的人說到鼓樓區并不會沖突。

多進程合作

進程也可以相互合作，但是如果兩個進程共同修改使用相同的數據，可能會導致數據錯亂的問題。

比如一個傳統模型-生產者消費者模型。

生產者進程負責生成數據，消費者進程負責使用數據。

如下圖所示，生產者進程，生產一個數據count++，當count=10時，停止生產數據。消費者進程，消費一個數據count--，當count=0，停止消費數據。

消費者進程和生產者進程共享了count。

由于進程是交替執行，有可能生產者進程生產了數據，但是count還沒有+1，就切換到了消費者進程，導致消費者進程使用的count的值是錯誤的，從而導致合作結果產生錯誤。

如果要解決這個問題，就需要保證當一個進程正在使用count時，其他進程不會使用。 其他進程只有等到count被釋放時，才能使用。

這就是多進程的鎖機制，實現進程同步，后面會詳細說。

總結

操作系統通過PCB保存進程信息。

操作系統根據進程的執行情況設置不同的狀態，并劃分到相應的狀態隊列中，通過調度算法交替切換執行進程。

每個進程通過映射表訪問物理內存地址，實現了不同進程之間的空間隔離。

多進程合作共享數據會可能導致數據不一致等問題，通過鎖機制實現進程同步，合理推進進程順序。

PS: 以上圖片來自MOOC的哈工大李老師的操作系統課程，李老師的課講的非常好，推薦大家觀看學習，如果文章有錯誤之處，歡迎指正，目前還處于學習階段。