Lecture 2. 进程管理（26 页）
- 程序、进程、处理器
- 表示过程抽象
- 进程 生命周期（lifecycle）
- 与操作系统通信 - 系统调用（system call）
程序、进程、处理器
程序 program
程序是指一系列的具有指定顺序的指令。相当于把一个算法翻译成了编程语言。
编译器（compiler） 会把代码映射转换为特定处理器的一系列的机器指令（目标代码）。这些指令存储在 目标文件（object file） 中。Windows 的目标文件通常是 .obj 扩展名，Linux 通常是 .o 扩展名。
而 链接器（Linker） 执行链接过程。它接受一个或多个目标文件，对于 C 语言来说，如果程序中有 sqrt() 函数，还会再链接 math.h 库。然后输出 可执行文件（executable file）。
总结来讲，编译器生成的是目标文件，不能被执行；链接器可以利用目标文件生成可执行文件，这个才能被执行。换句话说，目标文件是中间产物，可执行文件才是想要的东西。
这篇文章 描述了比较详细的目标文件和可执行文件的关系，可以参考。
CSAPP E3 的章节 1.2 也描述了编译和链接的过程。
进程 process
进程是正在运行的程序的一个实例（instance）。它是操作系统的 抽象（abstraction）。执行指令的时候，就会产生一个进程。
程序的可执行模块会以映像的形式加载到内存当中，然后处理器获取指令。
程序映像（program image） 具有特定于特定操作系统和处理器的格式，包括程序参数、堆栈空间、数据空间和程序代码。
进程是一个 执行环境（execution context），是运行时内核管理的信息的集合
进程是一个动态的实体，持续时间短则几毫秒，长则几个月；系统服务（system service） 比较特殊，是系统启动的时候就加载成为 系统进程（system process） 了，生命周期跟内核一样。
中断
事件发生通常通过硬件或软件的 中断（interrupt） 来通知。中断，顾名思义，可以理解为暂停当前程序，将控制转移到另一个程序。硬件可以随时通过系统总线向 CPU 发送信号触发中断，而软件可以通过执行 系统调用（system call） 来触发中断。
如上图表示。在执行 M 指令的时候发生了中断，那么根据中断的编号，先跳到「中断向量表」中找到指定的「中断向量」，然后再找到中断处理程序的地址（107B），执行中断处理程序的相关代码（执行过程可能还会遇到其他中断）。执行完之后，回去执行紧跟在 M 指令后面的 N 指令。
处理器 processor
处理器可以看作进程运行的代理人，它运行进程的方式是执行内存映像当中存储的指令。大多数个人电脑都只有一个处理器（CPU）。
现代处理器具有多个 执行核心（execution core），同一时间可以执行多个指令。
然而，由于通常情况下，进程的数量会远远多于处理器的数量，所以处理器的资源是进程之间共享的，共享的实现方式是将 CPU 时间分配给 就绪进程（ready process）。
三种进程状态
操作系统的进程状态主要有三个：运行态、就绪态、阻塞态。
运行进程（running process），顾名思义就是正在使用 CPU 资源并正在 CPU 上运行的进程。
而 就绪进程（ready process） 就是已经具备了运行条件，但是由于暂时没有 CPU 空闲，所以在暂时等待。上文也提到过，CPU 时间分配给的是就绪进程。
有时候有的进程可能在等待接收数据、等待用户交互、等待资源分配，这个阶段进程并不使用处理器资源，这些就是 阻塞进程（blocked process）。
除了这三个状态，还有创建态（new）、结束态（terminated）。这个顾名思义。
这张图描述了进程状态的转换
表示过程抽象
操作系统的一项非常基础的任务就是进程管理，包含创建、控制、终止、管理执行环境等方面。
操作系统必须分配内存资源和 CPU 时间给进程，并保护资源不受到其他进程活动的影响。此外，对于共享相同资源的进程，还要提供同步机制。
为了实现进程管理，操作系统会使用数据结构来表示当前处理的进程的状态：操作系统对每一个进程维护一个 PCB（进程控制块，Process Control Block） 或 进程描述符（Process Descriptor），这样就可以清楚的表示每个进程在干啥、以及执行到了什么状态、它被分配到哪些资源。
进程控制块 PCB
PCB 用于跟踪执行环境（关于进程及其活动的所有信息），可用于将该进程独立调度到任何可用处理器上。
PCB 类似编程语言当中的 struct，包括许多与进程相关的信息，可以分为三大类：进程识别数据、处理器状态数据、进程控制数据，如表格：
实际上，Linux 当中的 PCB，就是用 struct 表示的，在头文件 <linux/sched.h> 当中。
当遇到了中断，就把所有信息（上下文 context）保存进 PCB。这样，当该进程重新进入运行状态，可以直接从 PCB 当中读取上一次运行结束时候的状态、继续运行（上下文切换）。
进程的生命周期
前面提到过了，进程状态的转换。
与操作系统的通信
出于安全性和可靠性的考虑，进程之间的以及进程与硬件或操作系统之间的直接通信，必须使用特定的机制来实现。
对于进程间通信，操作系统提供了进程间通信的函数，这些函数可以将 消息（message） 从一个进程映射到另一个进程。
对于与操作系统通信，是通过特殊的系统调用（system call）机制完成的，这个机制可以自动的切换处理器的执行模式的
执行模式
处理器的 运行模式（mode of execution） 至少要分两个等级：用户模式（user mode） 和 内核模式（supervisor mode）（也叫 监视模式、系统模式、特权模式）。用户模式只能执行指令集的一个子集。切换到内核模式才能执行完整指令集。当然这个切换也是受控的。比如为了保护硬件系统，有些处理器的指令必须限制普通用户权限的进程，比如 OS 代码。
有一个特殊的处理器指令，软件中断（software interrupt）（也叫 陷阱 或 异常），可以实现到内核模式的切换。
处理器可以拥有多种运行模式，但是至少要满足上述两种。除了模式以外，有的处理器区分多个 特权级别（privilege level） 来区分运行权限，比如 Intel 64 系列的 U。
系统调用 System Call
进程如果要访问硬件、与其他进程通信、创建新进程，必须要先跟 OS 通信，获取到 系统服务（system service） 才行。
系统调用是指，运行在用户模式的程序向操作系统内核请求更高权限运行的服务。
包装库（wrapper library） 是一种函数库，可以将其它函数库已存在的接口翻译成另一种兼容接口。
通常，程序通过包装库当中的包装函数发起系统调用。
包装 API 还可以帮助应用程序实现跨平台和跨内核。
指令周期 fetch-decode-execute cycle
硬件中断 hardware interrupt
硬件中断可用来实现硬件与 OS 的通信。硬件设备发送电信号，以通知操作系统硬件状态的变化。
硬件中断机制可以让系统高效的管理大量硬件设备。
为了防止部分用户程序陷入死循环导致资源持续占用，可以使用定时器（timer）。比如，程序初始化的时候，设置定时器为允许运行的最大时间。每秒滴答一次并产生中断，当倒计时到零，就强制终止该程序运行。