写在最前面：本篇文章参考哈工大操作系统课程。主要是对操作系统中多进程图谱的概述，为下几节内容做好铺垫。

CPU管理的直观想法

由cpu的管理引出了多进程图谱，进而带动其他硬件设备的管理。

CPU的使用

管理cpu之前首先要使用cpu，而管理的目的就是为了让cpu的使用更加高效。

如上图所示，CPU的工作原理：取指-执行。

即根据PC地址获取内存中存储的代码并解析执行之，同时累加读取后续代码进行下一步操作。

所以管理cpu的一个最直观的方法就是：设置好初PC地址。

一个问题

到这里，有一个问题：CPU的利用率。我们以下面这个程序为例：

如图所示，一个含有IO指令的程序比之不含有IO指令的程序要慢很多。

所以我们就会面临一个问题：在执行IO指令时CPU要干什么，是等待还是执行其他程序？

问题的解决

解决方法：多程序交替执行

上图可见，通过交替执行程序可以显著提高利用率。而利用率的提高不就是CPU管理的目的吗。

问：如何进行程序的交替执行呢？
答：通过修改PC指针即可完成。

新问题：只是修改寄存器PC就可以了吗？

回答：不。还需要记录信息：切换前后程序的状态要保存。

如图所示，进行查询的交替执行时不仅仅要进行PC的修改，还要保存好每一个程序的状态信息。

因为运行中的程序与静态程序是不一样的，为此我们引入进程的概念。

进程的引入

进程就是正在执行的程序。而多进程的并发执行就是CPU管理的核心部分。

下面我们将接着进程的概念进行介绍，搭建起一个大概的多进程图像。

多进程图像

前面我们介绍了：为什么要有多进程
下面就要来看：操作系统如何实现多进程。

什么是多进程图像

在用户层面：多进程图像就是打开了多个应用程序
在操作系统层面：多进程图像就是管理好这些进程，记录这些进程的状态信息、资源调度等,负责各个进程的推进。

系统的第一个进程

如图所示，就是一个多进程的例子：首先启动1号进程也就是shell进程，此进程通过fork()创建新的进程执行用户指令。一个进程执行完毕后可以通过exit()退出（shell进程不会退出）。

每执行一个任务都要启动一个进程，通过多个进程的推进实现计算机工作。

一个直观的画面：任务管理器

如图所示，我们的计算机中正在执行很多进程。 操作系统就是通过管理进程来管理计算机的使用。

如何实现多进程图像

之后几个部分会详细介绍多进程图像的实现，这个部分主要是一个引子。

多进程的组织方式：PCB+状态+队列

如图所示，进程有三个状态：运行态、就绪态、阻塞态

将PCB放在不同的区域以标识进程的不同状态，这些区域叫做队列。

通过进程状态的转换来实现进程的管理。

多进程的交替实现：队列操作+调度+切换

我们以具体的代码来看多进程交替的实现思路，这也是并发的基本含义。

一个很关键的函数：schedule()。
其作用就是实现进程状态的转换，即pCur和pNew的切换。

当然其中涉及到进程的调度问题也就是getNext：

进程的调度是一个很复杂、深刻的问题，后面会专门拿出一个部分具体介绍，当然也是介绍一些简单的调度策略。

进程的切换也就是switch_to()

  • 首先这个函数实现了进程状态信息的保存，将pCur信息保存到对应的PCB中。
  • 之后实现进程的切换，即将pNew信息传入CPU中

多进程的相互影响：内存冲突问题

问题：多个进程的内存空间存在冲突。

解决方法：多进程的内存分离，通过映射表实现。（是后面内存管理的主要内容）

多进程的合作

通过下面几个例子来理解多进程之间的合作

共享数据在多进程交替执行时可能会出现问题。
例如发生以下问题：

因为交替执行程序，可以导致共享变量的错误赋值，从而影响到整个程序的执行。

解决方法：进程同步

通过锁机制来实现进程的同步以实现进程的合理推进。

一个总结：

第二部分主要是介绍一下多进程图像的组织与切换问题，为之后的学习打好基础。

下面我们也将根据上图介绍，用4个部分内容介绍多进程图像这一核心模块。