操作系统的三个任务：CPU调度、内存管理、IO管理。
CPU调度就是进程管理
前言：为何需要进程切换
操作系统为了实现多任务并行。
多任务操作系统的前提：
- 多个任务
- 任务切换足够快
- CPU足够快
从任务角度出发，出现进程切换的场景：
- 进程A需要等待某件事情的完成
- 进程A和进程B都需要执行
- 进程B更重要
- …….
进程级别，出现调度的具体情况：
- 进程A出发某些内核函数，比如sleep等
- 进程A是循环，也就是说不会主动交出控制权。实际上操作系统在启动进程A的时候，设置了中断的时间
- 某些硬件的操作，比如鼠标移动、键盘输入都会导致进入kernel的处理
进程管理概念
进程管理是多任务操作系统中的基本功能。操作系统将资源分配给各个进程，让进程可以分享和交换信息，保护每个进程拥有的资源，以及使进程同步。
interrupt 与 context switch
两者是不同的，CPU应该允许在内核态可以interrupt，但是context switch则不被允许，可能会涉及状态保存的问题。
进程控制块PCB
为了实现进程管理，操作系统为每个进程分配了一个数据结构，用来描述进程的状态以及进程拥有的资源。操作系统可以透过这个数据结构来控制每个进程的运作。
PCB在内核中的数据结构成为task_struct，主要包括4方面信息：
- 进程标识符：唯一标识一个进程，一个进程通常有两种标识符：内部标识符和外部标识符。
- 处理及状态
- 进程调度信息：与进程调度的相关信息，如进程状态、进程优先级、其他与调度相关的信息
- 进程控制信息：程序和数据地址
进程状态的描述
进程的三个基本状态：运行态、就绪态、阻塞态
- 运行态running：当一个进程在处理机上运行时，则称该进程处于运行状态
- 就绪态ready：一个进程获得了除处理机外的一切所需资源，一旦得到处理机资源就可以运行，称进程处于就绪态
- 阻塞态blocked：一个进程正在等待某一个事件发生（如请求I/O），而暂时停止运行。
三个基本状态之间可能转换和转换原因如下：参考文章
就绪态–＞运行态：当处理机空闲时，进程调度程序必将处理机分配给一个处于就绪态的进程 ，该进程便由就绪态转换为运行态。 运行态–＞阻塞态：处于运行态的进程在运行过程中需要等待某一事件发生后（例如因I／O请求等待I／O完成后），才能继续运行，则该进程放弃处理机，从运行态转换为阻塞态。 阻塞态–＞就绪态：处于阻塞态的进程，若其等待的事件已经发生，于是进程由阻塞态转换为就绪态。 运行态–＞就绪态：处于运行状态的进程在其运行过程中，因分给它的处理机时间片已用完，而不得不让出（被抢占）处理机，于是进程由运行态转换为就绪态。 而阻塞态–＞运行态和就绪态–＞阻塞态这二种状态转换不可能发生。 处于运行态进程:如系统有一个处理机，则在任何一时刻，最多只有一个进程处于运行态。 处于就绪态进程:一般处于就绪态的进程按照一定的算法（如先来的进程排在前面，或采用优先权高的进程排在前面）排成一个就绪队列RL。 处于阻塞态进程:处于阻塞态的进程排在阻塞队列中。由于等待事件原因不同，阻塞队列也按事件分成几个队列WLi。
context
- process context
- interrupt context
Q：用户态允许中断，那么如果处于内核态，是否允许中断呢？
进程管理
进程A调动进程B的过程：
进程A->内核提供的系统调用
进程如何产生操作系统的调用
整体过程：
1.1 进程在系统中的布局
当只有进程A时，操作系统内存布局如下：
### 1.2进程Ａ调用操作系统
进程通过软中断soft interrupt，比如int80
glibc中的fork函数为了调用kernel，需要先修改寄存器，然后使用中断
异常和中断处理
同步异常，因为异常都是由于CPU处理到异常的指令造成的，与CPU同步。操作系统启动的时候，会将异常向量表（vector table）加载到内存中，如果操作系统遇到不会处理的指令，回去向量表中查找。
异常为synchronous exception，中断为asynchronous exception，下图可以看到，除了初始的阶段不同，后期两者对于cpu内部的操作是一样，不过是中断需要外部的“刺激”
举例而言：上一节中的glib库的fork函数，通过int 0x80引起中断，80表示这个中断是系统调用，接着内核使用syscall handler 来捕捉，并在syscall table找到第二个（eax寄存器指定）操作，sys_fork()函数
操作系统不是一个会执行的程序，进程A进入到内核态时，上下文【context】不会变化
程序和进程的区别
程序是静态的文件，通常格式为ELF（可执行文件，executable file），保存在磁盘；进程存在在内存中，并已经执行。
程序是一组指令的有序集合，是静态的实体。而进程是程序在某个数据集的执行。进程和程序并非一一对应的关系，一个程序执行在不同的数据集就成为不同的进程。
进程 = 程序 + 数据
进程和线程的区别 process thread
出现线程是因为同一个程序可能会被同时使用多次，某些资源可以复用。比如打开多个word文档。
根本区别：进程是操作系统资源分配的基本单位，而线程是处理器任务调度和执行的基本单位
资源开销：每个进程都有独立的代码和数据空间（程序上下文），程序之间的切换会有较大的开销；线程可以看做轻量级的进程，同一类线程共享代码和数据空间，每个线程都有自己独立的运行栈和程序计数器（PC），线程之间切换的开销小。
包含关系：如果一个进程内有多个线程，则执行过程不是一条线的，而是多条线（线程）共同完成的；线程是进程的一部分，所以线程也被称为轻权进程或者轻量级进程。
1.3 fork过程
每个进程在kernel中都会存储一个结构保存重要信息，如PID等。进程A fork进程B的过程中，会直接复制进程A的结构，然后修改这个结构，比如PID。如下图，
进程描述符【结构】如下图所示，在linux中的形式
进程的状态变化图
1.4 进程调度
中断
寻找下一个运行的进程。进程调度的场景：
-
当前进程需要其他工作。进程自身调用kernel的函数，如sysytem call。
-
当前进程占据太多时间。内核在进程运行时会设置一个时间，时间用完会调用kernel。如下，进程调度有可能会导致进程切换，也有可能回到原进程。
-
更重要的进程出现。如鼠标、键盘等操作。
分段
用户进程可以被打断，那么kernel能否被打断呢
抢占
用户抢占(user preemption)和内核抢占（kernel preemption），注意抢占不等于中断
非抢占式内核支持用户抢占（eg. linux kernel 2.4)
抢占式内核支持用户抢占和内核抢占(eg. linux kernel 2.6)
调度算法
考虑的因素,进程优先级,等待时间等等。
调度在linux中像是一个双向链表
进入schedule的场景
-
用户程序需要等待一个事件的完成， 如数据的读取。那么内核就会将这个进程设为idle，并进入schedule
-
进程等待一个kernel的资源，而这个资源正在被lock
-
进程被某些外部中断，如鼠标移动。此时也会进入schedule，判断是否要切换进程
-
进程调用schedule，比如call sleep
### 1.5 context 切换
context switch简单的理解就是进程对应的TSS段切换。
存储当前进程的状态
e.g 进程A切换到进程B的过程（CPU存储了当前进程的基本状态，如IP指向下一个指令，SP指向栈等等）。
- 进程A由于某些原因进入内核进程调度模块
-
进程调度决定将进程A切换到进程B
- kernel将进程A的状态，即当前cpu的某些寄存器，存储到kernel space中，linux kernel将这些进程状态的信息所在文件命名为TSS（task state segment）
- 将进程B的TSS文件读取，并存入CPU
- 读取CPU，就开始运行进程B啦
GDT（global description table）全局描述符
LDT（local description table）局部描述符
如果只是进程切换，那根据TSS就可以呀，为什么还需要GDT和LDT呢？
问题
- 内核有几个进程？
- 为什么有了TSS，还需要GDT和LDT，进程切换的顺序是什么？
GDT和LDT的目的是为了什么？
80x86体系结构包括一个特殊的段类型，叫任务状态段（Task State Segment, TSS）来存放硬件上下文。尽管Linux并不使用硬件上下文切换，但是强制它为系统中每个不同的CPU创建一个TSS。这样做的两个主要理由为?
https://blog.csdn.net/nkguohao/article/details/9187381
某个作者提到了一句。。
http://www.kancloud.cn:8080/digest/protectedmode/121466文中提到，为了使用段，必须创建段描述符。
参考文献
- 深入理解操作系统原理之进程管理，https://blog.csdn.net/xiaokang123456kao/article/details/73773474
