本文最后修改时间:2019-01-14 20:53

第二章 进程

作者:Allen B. Downey

原文:Chapter 2 Processes

译者:飞龙

协议:CC BY-NC-SA 4.0

2.1 抽象和虚拟化

在我们谈论进程之前,我打算先定义几个东西:

  • 抽象(Abstraction):抽象是复杂事物的简单表示。例如,如果你开车的话,应该知道车轮向左转的时候车也会向左行驶,反之亦然。当然,方向盘由一系列机械和传动系统所连接,用于使轮子转向,并且轮子和路面的相互作用方式也很复杂。但是作为一个司机,你通常不需要考虑这些细节。你可以仅仅建立方向盘的心智模型,这种心智模型就是一个抽象。

    软件工程的很大一部分就是设计类似这样的抽象,允许用户和其它程序员使用强大而复杂的系统,而不必知道其实现的细节。

  • 虚拟化(Virtualization):一类非常重要的抽象就是虚拟化,它是创建可取的幻像的过程。例如,许多公共图书馆都参与了馆际合作,允许它们互相借阅图书。当我需要一本书时,有时它在我的本地图书馆的架子上,但更多情况下它会被运到其它的馆藏中。无论是哪一种,我都会收到它可借阅的提醒。我并不需要知道它来自哪里,我也不需要知道我的图书馆拥有哪一本书。一般来说,这个系统创建了一个幻象,好像我的图书馆拥有全世界的每一本书。

    在物理上,我的图书馆的馆藏可能很小,但是虚拟上我能获得的馆藏包含了馆际合作的每一本书。

    另外一个例子,大多数电脑都只连接到一个网络中,而这个网络又链接到其它网络,等等。我们所谈论的“互联网”,是一系列网络和协议的合集,它将数据包从一个网络传送到另一个网络。从用户和程序员的角度来看,整个系统的行为就像是互联网的每台计算机都互相连接。物理连接的数量十分少,但是虚拟连接的数量十分庞大。

“虚拟”这个词通常用于虚拟机的语境中,它是一种软件,可以创建运行特定系统的专用计算机的幻象。实际上,虚拟机可能和其它虚拟机一起运行在不同的操作系统上。

在虚拟化的语境中,我们通常把真实发生的事情叫做“物理的”,而把虚拟上发生的事情叫做“逻辑的”或者“抽象的”。

2.2 隔离

工程最重要的原则之一就是隔离(Isolation):当你设计一个带有多个组件的系统时,将它彼此隔离是个很好的方法,这样某个组件中的改变就不会对其它组件造成不良影响。

操作系统最重要的目标之一,就是将每个进程和其它进程隔离,使程序员不必考虑每个可能的交互情况。提供这种隔离的软件对象叫做进程(Process)。

进程是表示运行中程序的软件对象。我按照面向对象编程把它称之为“软件对象”。通常一个对象包含数据,并且提供用于操作数据的方法。进程正是包含以下数据的对象:

  • 程序文本,通常是机器语言的指令序列。
  • 程序相关的数据,包括静态数据(编译时分配)和动态数据,后者包括运行时的栈和堆。
  • 任何等待中的IO状态。例如,如果进程正在等待从磁盘中读取的数据,或者从网络到达的数据包,这些操作的状态也是进程的一部分。
  • 程序的硬件状态,这包括储存在寄存器中的数据,状态信息,以及程序计数器,它表示当前执行了哪个指令。

通常一个进程运行一个程序,但是对于进程来说,加载并运行新的程序也是可能的。

也可以在多于一个进程中运行相同的程序,这非常常见。这种情况下,各个进程共享程序文本,但是拥有不同的数据和硬件状态。

大多数操作系统提供了隔离进程的基本功能:

  • 多任务:大多数操作系统有能力在几乎任何时候中断一个进程,保存它的硬件状态,并且在以后恢复它。通常,程序员不需要考虑这些中断。程序的行为就像在一个专用的处理器上持续运行,除了两条指令之间的时间是不可预测的。
  • 虚拟内存:大多数操作系统会创建幻象,每个进程看似拥有独立内存片并且孤立于其他进程。同样,程序员通常也不需要考虑虚拟内存如何工作,他们可以当做每个程序都拥有专用的内存片来处理。
  • 设备抽象:运行于同一台计算机的进程共享磁盘、网络接口、显卡和其它硬件。如果进程直接和这些硬件交互而不加协调,就一定会产生混乱。例如,一个进程预期的网络数据可能会被另一个进程读取。或者多个进程可能尝试在磁盘的相同位置储存数据。操作系统负责通过提供合适的抽象来维持秩序。

作为程序员,你不需要知道太多关于这些功能如何实现的事情。但是如果你很好奇,你可以在这个屏蔽层的后面发现一大堆有趣的事情。而且,如果你知道其中所发生的事情,你会成为更好的程序员。

2.3 Unix 进程

当我写这本书的时候,我最关注的进程就是我的文本编辑器,Emacs。偶尔我也会切换到终端窗口,它是一个运行Unix shell并提供命令行接口的窗口。

当我移动鼠标时,窗口的管理器会被唤醒,看到鼠标在终端窗口上方,并且唤醒终端。终端又唤醒shell。如果我在shell中键入make,它就会创建一个新的进程来运行Make。Make会创建另一个进程来运行LaTeX,之后另一个进程会显示结果。

如果我需要查询一些东西,我会切换到另一个桌面,这会再次唤醒窗口管理器。如果我点击Web浏览器的图标,窗口管理器会创建进程来运行Web浏览器。许多浏览器,类似Chrome,会为每个窗口和每个选项卡创建新的进程。

并且这些只是我所了解的进程,同时还有许多其它进程“在后台”运行。它们中许多都在执行操作系统相关的工作。

Unix命令ps能打印出运行中进程的信息。如果你在终端里运行它,可能会看到这些:

  PID TTY          TIME CMD
 2687 pts/1    00:00:00 bash
 2801 pts/1    00:01:24 emacs
24762 pts/1    00:00:00 ps

第一列是唯一的进程ID。第二列是创建进程的终端,“TTY”代表“电传打字机”(Teletypewriter),它是原始的机械终端。

第三行是用于该进程的处理器时间总计,依次为时、分、秒。最后一行是所运行进程的名称。这个例子中,bash是shell的名称,用于解释我键入到终端中的命令。Emacs是我的文本编辑器,而ps是生成这份输出的程序。

通常,ps只会列出有关当前终端的进程。如果你使用-e选项,你会得到所有进程(也包括属于其他用户的进程,我认为这是个安全缺陷)。

在我的系统上有233个进程,下面是它们的一部分:

  PID TTY          TIME CMD
    1 ?        00:00:17 init
    2 ?        00:00:00 kthreadd
    3 ?        00:00:02 ksoftirqd/0
    4 ?        00:00:00 kworker/0:0
    8 ?        00:00:00 migration/0
    9 ?        00:00:00 rcu_bh
   10 ?        00:00:16 rcu_sched
   47 ?        00:00:00 cpuset
   48 ?        00:00:00 khelper
   49 ?        00:00:00 kdevtmpfs
   50 ?        00:00:00 netns
   51 ?        00:00:00 bdi-default
   52 ?        00:00:00 kintegrityd
   53 ?        00:00:00 kblockd
   54 ?        00:00:00 ata_sff
   55 ?        00:00:00 khubd
   56 ?        00:00:00 md
   57 ?        00:00:00 devfreq_wq

init是操作系统启动时首先创建的进程。它又会创建许多其它进程,之后会闲置,直到它创建的进程运行完毕。

kthreadd是操作系统用于创建新的“线程”的进程。之后我们将会谈论更多关于线程的东西,但是你暂时你可以认为线程是一种进程。