操作系统：进程调度，创建和终止
进程的调度
调度的概念
进程调度是操作系统在就绪队列中，按照某种算法（策略）动态地选择一个进程，并将CPU的控制权分配给它，使其执行的过程。
调度的类型
| 特性维度 | 长程调度 (Long-Term Scheduling) | 中程调度 (Medium-Term Scheduling) | 短程调度 (Short-Term Scheduling) |
|---|---|---|---|
| 中文别名 | 作业调度、高级调度 | 交换调度、中级调度 | CPU调度、低级调度 |
| 核心职责 | 控制入口：决定哪些程序可被调入内存，成为就绪进程 | 控制负载：将进程在内存和磁盘间换出/换入，缓解内存压力 | 分配CPU：从就绪队列中选择下一个要执行的进程 |
| 调度对象 | 磁盘上的程序（作业） | 内存中的进程 | 内存中的就绪进程 |
| 发生频率 | 低（秒、分钟级） | 中等 | 极高（毫秒级） |
| 决策速度 | 慢，可进行复杂权衡 | 中等 | 极快，开销必须最小化 |
| 主要目标 | 控制多道程序度 平衡I/O型和CPU型进程的混合比例（控制多道程序的度） | 提高内存利用率 改善系统总体吞吐量和响应速度 | 最大化CPU利用率 保证公平性、高吞吐量、低响应时间 |
| 关键操作 | 接纳（Admit） 或创建（Create） | 换出（Swap Out） / 挂起（Suspend） 换入（Swap In） / 激活（Resume） | 分发（Dispatch） （分配CPU） |
| 影响状态 | 无 → 就绪/挂起就绪 | 就绪/阻塞 ↔ 挂起就绪/挂起阻塞 | 就绪 → 运行 |
类比理解调度的类型：
1. 长程调度 (Long-Term Scheduling) - “招聘经理”
中文别名：作业调度、高级调度
核心职责：决定是否允许一个新的程序进入内存，成为一个有资格竞争CPU的进程。它控制着系统的多道程序度（Degree of Multiprogramming），即内存中同时存在的进程数量。
好比：HR招聘经理决定从大量简历中录用哪些人成为公司正式员工。他需要控制公司总人数，并考虑员工的技能组合（IO型还是计算型），以保证公司整体效率。
特点：
执行频率极低：几分钟甚至更久才执行一次。
决策速度可以慢：因为不频繁，可以做复杂的权衡。
平衡负载混合：会混合接纳I/O密集型和CPU密集型进程，确保系统资源（CPU和I/O设备）都能得到充分利用。
2. 中程调度 (Medium-Term Scheduling) - “部门经理”
中文别名：交换调度、中级调度
核心职责：当系统内存紧张时，负责将暂时不运行的进程从内存换出（Swap out） 到磁盘挂起，以释放内存空间。当内存有空闲时，再将其换入（Swap in），重新激活。
好比：部门经理发现项目太多，资源紧张，决定让一些暂时不紧急的项目（员工）暂时休假（换出），等资源充足时再叫他们回来继续工作（换入）。这并没有解雇他们，只是暂时挂起。
特点：
引入了“挂起”状态：这是中程调度存在的标志。
目的是平衡系统负载：通过换出换入来缓解内存压力，提高系统整体吞吐量和响应速度。
3. 短程调度 (Short-Term Scheduling) - “项目经理”
中文别名：CPU调度、低级调度
核心职责：当CPU空闲时，立刻从内存的就绪队列中选择一个进程，并将CPU分配给它执行。这是最频繁、最核心的调度。
好比：项目经理手下有多个已就绪的员工（进程），每当一个员工完成一项任务或时间到了，经理立刻决定下一个任务派给谁。这个决策需要非常快。
特点：
执行频率极高：几十毫秒（ms）就会发生一次。
决策必须极快：因为频繁，调度算法本身不能太复杂，否则开销太大。
是通常所说的“进程调度”：我们讨论的各种调度算法（如先来先服务、短作业优先、时间片轮转、优先级调度）都是指短程调度。
也就是说：
长程调度管 “进不进” 内存（控制数量和质量）。
中程调度管 “待不待” 在内存（灵活调整内存负载）。
短程调度管 “谁先跑” CPU（微观上实现并发执行）。
进程的两种类型
1. I/O密集型进程 (I/O-Bound Process)
特点：这类进程的大多数时间都花在等待输入/输出（I/O）操作的完成上，而不是进行大量的计算。
影响：
CPU underutilized(导致CPU利用率不足)。因为进程大部分时间在等待，如果把CPU全给它，CPU就闲着了。行为模式：通常会发起一个I/O请求（如读取文件、等待网络数据、响应鼠标点击），然后因为需要等待慢速的I/O设备而主动放弃CPU，进入阻塞状态。当I/O操作完成后，它被唤醒，进行短暂的计算处理，然后很快又发起下一个I/O请求。
典型例子：
大多数交互式程序：文本编辑器、浏览器、Office软件（用户思考或打字时就是在“等待I/O”）
需要频繁读写磁盘或网络的应用
对调度的需求：
响应速度：当I/O操作完成（如用户按下一个键），进程需要被快速调度到CPU上运行，以便给用户即时反馈。否则系统会显得“卡顿”。
不需要很大的CPU时间片，因为每次它只做一点计算就去等待I/O了。
2. CPU密集型进程 (CPU-Bound Process)
特点：这类进程的大多数时间都花在执行计算上，会长时间占用CPU而不被打断。
影响：
I/O underutilized(导致I/O设备利用率不足)。因为进程一直霸占CPU进行计算，很少去请求I/O，磁盘、网络等设备就闲着了。行为模式：进程包含大量需要CPU进行处理的指令（如循环计算、数学运算、图像渲染）。它们可以连续运行很多个时间片而几乎不产生I/O请求。
典型例子：
科学计算、数值模拟
视频编码/解码、图形渲染
编译大型项目（如编译Linux内核）
复杂数据分析
对调度的需求：
吞吐量：更关注在单位时间内完成的计算总量。
需要长时间、连续的CPU时间片。如果给它的时间片太短，会导致频繁的上下文切换，反而降低整体效率（因为大部分时间都花在切换进程上了，而不是真正计算）。
理想状态：CPU和I/O都保持“忙碌”的工作状态。当CPU密集型进程在疯狂计算时，I/O密集型进程可以排队进行I/O操作；当I/O密集型进程等待I/O时，CPU可以立刻切换到CPU密集型进程上工作。
这就是“正确的组合”：系统中同时存在这两种类型的进程，可以相互填补对方造成的资源空闲期，像一个配合默契的团队，使得系统的总体效率达到最高。
对比总结
| 特征 | I/O密集型进程 (I/O-Bound) | CPU密集型进程 (CPU-Bound) |
|---|---|---|
| 主要时间花费 | 等待I/O操作完成（磁盘、网络、用户输入） | 执行CPU计算 |
| CPU使用率 | 低 | 高（甚至渴望100%占用） |
| 行为特点 | 频繁放弃CPU，进入阻塞 | 长期占用CPU，不主动放弃 |
| 核心需求 | 低响应延迟（快速被调度） | 高吞吐量（大块CPU时间） |
| 典型例子 | 浏览器、文本编辑器、Web服务器 | 视频编码、科学计算、编译器 |
进程的创建
进程的创建是依靠原语（Primitive）来实现的。
原语是一种特殊的程序，它的执行具有原子性，也就是说这段程序的执行必须一气呵成，不可中断。（一个原语操作要么全部执行完成，要么一点都不执行，在执行过程中不允许被任何中断（包括时钟中断））
为什么需要原语？
想象一下，如果没有原语的原子性保证，在创建进程做到一半（比如刚分配了PID，但还没建好页表）时，突然发生时钟中断，CPU转去执行另一个进程了。这会导致系统处于一个极其混乱和不一致的状态，可能引发致命的错误。原语通过“关中断执行-开中断”等方式，确保了这些关键操作的完整性。
进程创建的过程：
申请并初始化PCB：为新进程分配一个唯一的进程标识符（PID），并在内核中创建一个空的进程控制块（PCB）。
分配资源：为新进程分配必要的资源，最重要的是建立地址空间。这包括：
创建页表：建立虚拟内存到物理内存的映射关系。
继承或设置资源：处理父进程资源的继承问题（如打开的文件描述符）。
初始化PCB：将新进程的详细信息填入PCB，包括：
程序计数器（PC）指向程序的入口点（对于
fork()则是继承父进程的断点）。分配系统堆栈。
设置进程状态为“就绪”或“就绪/挂起”。
放入就绪队列：将初始化好的新进程的PCB插入到系统的就绪队列中，等待调度器在合适的时机分配CPU给它运行。
这一切操作，作为一个整体，要么全部成功，要么全部失败（回滚），对外界来说是不可见的、瞬间完成的原子操作。 这就是原语的威力。
进程的终止
触发终止
首先，需要一个事件来触发进程的终止。通常有四种情况：
正常退出（自愿）：进程完成了它的工作，主动调用退出系统调用（如
exit()）。这是最常见的情况。错误退出（自愿）：进程发现了错误并决定自行终止（例如，Python 脚本遇到
SyntaxError）。致命错误（非自愿）：进程在执行过程中遇到了不可恢复的错误，如执行了非法指令、访问了非法内存地址（段错误）、除以零等。通常由硬件触发异常，再由操作系统处理并终止该进程。
被其他进程杀死（非自愿）：另一个进程（通常拥有权限，如用户通过
kill命令或父进程）通过系统调用（如kill()）强制终止该进程。
核心操作：执行终止原语
进程终止同样是依靠原语（Primitive）来实现的，例如 exit() 系统调用。这个原语会原子性地完成一系列清理工作，确保系统资源被完整回收，系统状态保持一致。
操作系统内核会执行终止原语，其主要步骤包括：
传递退出状态：获取进程的退出状态码（例如在
exit(0)中的0），并将其保存在该进程的PCB中。父进程可以通过wait()等系统调用来获取这个状态码，以了解子进程是如何终止的。资源回收与归还：这是终止过程最核心的工作，操作系统会遍历该进程拥有的所有资源，并逐一释放：
释放内存空间：释放该进程占用的所有物理内存页和页表、代码段、数据段、堆栈段等。
关闭打开文件：遍历进程的打开文件表，关闭所有已打开的文件描述符。这一步至关重要，因为它确保了文件数据被正确写回磁盘，并释放了文件锁，避免资源泄漏。
释放其他内核资源：释放该进程占用的所有其他内核对象，如管道、信号量、共享内存段、网络连接等。
管理进程关系：
处理子进程：将该进程的所有子进程移交给了另一个进程（在许多现代系统中，如Linux，会移交给
init或systemd进程），防止子进程成为“孤儿进程”。通知父进程：向该进程的父进程发送一个
SIGCHLD信号，通知它有一个子进程已经终止。
销毁进程控制块（PCB）：在确保所有资源都被释放、所有后续事宜都已安排妥当后，操作系统最终会销毁该进程的PCB，并回收其PID。从此，这个进程在系统中就彻底消失了。
需要注意的是，进程的终止并不是单单一个进程的结束，更会引发一系列父子进程间的通信和状态同步行为。其核心在于 “父进程需要知道子进程的死活和结局”。
我们来简单说一下这一过程：
场景一：子进程终止 (Child Process Terminates)
当子进程通过 exit() 系统调用（或其它方式）终止时，会发生以下一系列原子性的操作：
子进程变为“僵尸”（Zombie State）：
子进程的执行停止了，资源（内存、CPU等）也被操作系统回收了。
但是，它的进程控制块（PCB）并没有被立即销毁。这个保留的PCB就像一个“墓碑”，里面记录了该进程的进程ID（PID） 和 退出状态（Exit Status）（比如是正常退出还是因为某个信号被杀掉，以及返回值是什么）。
处于这种状态的进程被称为 “僵尸进程”（Zombie or Defunct Process）。
子进程向父进程发送信号（SIGCHLD）：
操作系统会向该子进程的父进程发送一个
SIGCHLD信号，异步地通知它：“你的一个子进程已经终止了”。
父进程的职责：等待（Wait）：
父进程在收到
SIGCHLD信号后，应该调用wait()或waitpid()系统调用来回收（reap） 那个子进程。wait()的作用是：从僵尸子进程中获取退出状态信息，并彻底销毁它的PCB，让这个子进程真正从系统里消失。如果父进程一直不调用
wait()，那么子进程就会一直保持僵尸状态。
场景二：父进程终止 (Parent Process Terminates)
当父进程先于子进程终止时，情况则有所不同。操作系统不会允许子进程变成“孤儿”无人照管，因此有特殊机制：
子进程变为“孤儿”（Orphaned Process）：
父进程终止后，它的子进程就失去了父进程。
操作系统介入：重新指定父进程（Reparenting）：
为了解决孤儿问题，操作系统内核（具体是
init进程，在现代系统中是systemd）会接管所有这些孤儿进程。init/systemd进程（PID = 1）会成为这些孤儿进程的新父进程。这是一个原子性的操作。
新父进程的行为：
init/systemd进程被设计为一个简单的守护进程，它会持续地调用wait()来回收其任何终止的子进程。因此，被接管后的孤儿进程如果终止，会很快被它的新父进程（
init）回收，不会长时间保持僵尸状态。
总结与关键点
| 行为 | 子进程先终止 | 父进程先终止 |
|---|---|---|
| 触发事件 | 子调用 exit() | 父调用 exit() |
| 子进程状态 | 僵尸 (Zombie) | 孤儿 (Orphan) |
| 操作系统动作 | 向父发送 SIGCHLD 信号 | reparenting：将子进程过继给 init |
| 父进程职责 | 调用 wait() 回收子进程 | 无（父进程已死） |
| 最终结果 | 父进程回收后，子进程彻底消失 | init 会负责回收子进程，子进程彻底消失 |
关键结论：
僵尸进程是正常的中间状态：一个进程终止后，到其父进程调用
wait()读取其状态之前的这段时间，它必然处于僵尸状态。这是设计使然，目的是为了让父进程有机会获取子进程的最终状态。僵尸进程的危害：如果父进程永远不调用
wait()（ due to a bug），僵尸进程就会一直存在。虽然它不消耗内存和CPU，但会占用宝贵的进程ID（PID）。如果系统中僵尸进程过多，将无法创建新进程。孤儿进程无害：孤儿进程本身仍在正常运行，只是父进程变了。它们最终会被
init进程妥善处理，不会造成资源泄漏。这是一个重要的安全机制。
总结：进程终止的本质
进程终止的本质是：一个进程的执行序列结束，操作系统通过原子性的终止原语，回收其占用的所有资源，并将其从系统的进程列表中彻底移除，从而确保系统资源不会泄漏，并为后续进程的运行腾出空间。