多进程图像

操作系统记录进程，并按照合理的次序交替推进(分配资源，不断调度)，提高CPU利用率和程序执行速度，这就是操作系统的多进程图像。

当操作系统启动时，多进程图像就出现了。 在linux内核源码main.c文件中，对操作系统初始化时，通过fork()系统调用启动了1号进程，进行初始化，再启动shell。 在shell中，我们输入命令时，会再调用fork()启动其他进程。

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

在windows中我们可以通过任务管理器看到所有进程，Linux可以通过输入top或ps命令查看进程，这就实现了进程的可视化。

组织调度交替执行进程

进程队列

操作系统会将进程划分成不同的队列，并用PCB来记录进程信息。

比如有的进程正在执行的队列，有的进程在等待被执行的队列，有的进程在等待硬盘读取结果的队列，还有的进程在已经执行结束的队列。

其实跟我们在食堂排队一样，一条队伍排队等着打饭，一条队伍排队等着打菜，一条队伍排队等着打汤。

进程状态

操作系统通过进程的状态来划分不同的队列。

新建态，刚刚被创建，分配资源。

就绪态，进程已经可以被执行了，等待CPU中。

运行态，进程正在被CPU执行。

阻塞态，进程正在等待，磁盘等IO操作完成返回结果。

终止态，进程执行结束。

操作系统对通过状态的不同管理进程，将相同状态的进程连接成一个队列，通过调度算法不断交替执行进程，改变进程状态，从而推进多个进程不断向前推进。

进程的管理和我们现实生活中处理方式一样，比如我们去政府大厅办事，不同窗口的工作人员就是CPU。 在机器正在扫码领取排队号的人就处于新建态，正在办理业务的人就处于运行态，坐在椅子上等的人就处于就绪态，而办理业务的时候发现身份证没带，去一边等朋友送身份证的人就是阻塞态，办理完了的人就处于终止态了。

调度算法

进程数量远大于CPU数量，操作系统就要对进程进行调度，如果调度不合理也会导致效率低的问题，极端情况下CPU无事可干，再比如有的进程比较重要需要优先执行完，操作系统还需要将CPU资源优先分配给这类进程。

总之一个好的调度算法非常重要，这也是很多计算机科学家在不断研究推进的一个课题。

最简单的调度算法就是FIFO+优先级。 FIFO就是先进先出算法，高优先级的先被执行，相同优先级下，先进入队列的先被执行，后进入队列的后执行。

其他调度算法有兴趣可以慢慢研究。

进程切换

进程切换首先修改PCB中的状态值，并插入到对应的状态队列中。

调用schedule()模块进行切换，getNext()可以理解成内部实现了一个调度算法，从就绪队列中取出下一个可被执行的进程。

PCB信息切换，switch_to()就先保存被切换的进程信息，再初始化或恢复即将执行的进程信息。

代码只是简单描述，实际工作非常复杂。

其实对照我们上面的描述，先将资源，比如寄存器中的值保存到当前进程的PCB中。然后将即将执行的进程信息从PCB中恢复或初始化，比如PCB中保存的寄存器值赋值给寄存器。

多进程的内存隔离

多进程执行过程可能遇到下图这个问题。

当进程1使用数据的内存地址是进程2代码的指令地址。 当进程1执行的过程中，有可能在0x100地址写入新值，导致进程2被破坏无法执行。

这个问题解决的办法就是将不同进程使用的内存进行空间分离。

因此需要有个中间带进行隔离，在进程和物理内存之间引入映射表。 进程使用的内存地址，通过映射表转换成物理内存地址，从而使不同进程的内存地址进行分离。

如下图所示，虽然进程1和进程2都使用了内存地址0x100，但是通过映射表获取的物理地址分别是0x780和0x1260。

操作系统为每个进程的设置的映射表，是按照一定映射规则来的，具体细节不去研究，但是可以保证内存地址空间分离，每个进程都在自己的一亩三分地里面执行。

就好比南京和福州都有鼓楼区，虽然名字一样，但是南京和福州空间已经分离了，所以各地的人说到鼓楼区并不会冲突。

多进程合作

进程也可以相互合作，但是如果两个进程共同修改使用相同的数据，可能会导致数据错乱的问题。

比如一个传统模型-生产者消费者模型。

生产者进程负责生成数据，消费者进程负责使用数据。

如下图所示，生产者进程，生产一个数据count++，当count=10时，停止生产数据。消费者进程，消费一个数据count--，当count=0，停止消费数据。

消费者进程和生产者进程共享了count。

由于进程是交替执行，有可能生产者进程生产了数据，但是count还没有+1，就切换到了消费者进程，导致消费者进程使用的count的值是错误的，从而导致合作结果产生错误。

如果要解决这个问题，就需要保证当一个进程正在使用count时，其他进程不会使用。 其他进程只有等到count被释放时，才能使用。

这就是多进程的锁机制，实现进程同步，后面会详细说。

总结

操作系统通过PCB保存进程信息。

操作系统根据进程的执行情况设置不同的状态，并划分到相应的状态队列中，通过调度算法交替切换执行进程。

每个进程通过映射表访问物理内存地址，实现了不同进程之间的空间隔离。

多进程合作共享数据会可能导致数据不一致等问题，通过锁机制实现进程同步，合理推进进程顺序。

PS: 以上图片来自MOOC的哈工大李老师的操作系统课程，李老师的课讲的非常好，推荐大家观看学习，如果文章有错误之处，欢迎指正，目前还处于学习阶段。