操作系统在管理CPU的时候引出了多进程图像，通过多进程图像操作系统管理明白了CPU，CPU管理明白了别的硬件自然而然的就跟着带动起来了，所以多进程图像是操作系统的核心图像。

因为多进程的引入是为了管理好CPU，所以我们就先介绍CPU的管理方法。

1、CPU的工作原理

如图中所示，当PC=50时，CPU就会发出取址指令，把50放在地址总线上，当内存接收到信号后，就会将把位于地址50里的指令通过总线再传送给CPU。CPU得到该指令后，就会根据指令中的内容执行。

总结： 自动地取址、执行（PC自动累加）

CPU的管理方法就是把PC的初值设置为一段程序的开始地址，之后PC就会自动地累加工作，进行取值执行。

上图中的程序中，有I/O指令执行一条语句再比上没有I/O指令执行一条语句大约的比值是$10^6$。

I/O指令会涉及磁盘的存取，因此I/O指令相对于其他计算指令来说执行起来会非常慢。如果CPU一直在等待I/O完成后，才去继续工作就会造成CPU的利用率非常的低。所以，为了提高CPU的利用率，可以在电脑进行I/O操作时，让CPU先去执行其他任务，当I/O操作完成后，再回来执行对应的后续操作。

当多个程序在内存中，通过切换程序，来减少CPU的空闲时间，提高CPU的利用率。

多道程序交替执行就会让CPU忙碌起来。
某一设备的利用率=某一设备使用时间 / 全部程序的执行时间

多道程序交替执行就成为了管理CPU的核心。一个CPU上交替的执行多个程序，就引入了并发的概念。实现的方式就是在适当的时候让PC进行切换。

在切换前，要记录好之前所执行程序的相关信息（程序执行到哪里、执行的样子等等），即程序在当前时刻下执行时的样子。此时运行的程序和静态程序不一样了。

因为静态程序和运行的程序情况不一样了，我们就单独把运行的程序拿出来当作一个事物，而这个事物用传统的观念不能很方便的去描述解决，就引入“进程”（这个概念去刻画这个新事物。

进程是进行（执行）中的程序。 这些与静态程序不一样的地方都存放在了一个新的数据结构PCB当中。

当CPU开始跑多个进程，而不是按顺序执行静态程序时，就大大提高了CPU的利用率。多个进程向前跑的样子，就是管理CPU的核心样子。

2、多进程图像

操作系统从刚开机时就形成了多进程图像，直到关机为止。

if(!fork()) { init(); }使用fork()创建了一个进程，该进程执行了init()，启动了一个shell。

其中shell的核心代码就是while(1)循环中，当用户再输入一句命令后，又会创建一个新的子进程并根据输入的命令进行执行。（用户执行任务也是创建一个进程，用于完成用户指定的任务）

实际上，用户启用计算机就是启用一堆进程，用户管理计算机就是管理一堆进程。

（1）如何组织多进程

PCB帮助操作系统感知和形成进程。使用PCB来形成一些队列，来组织多进程。多个进程所对应的PCB分别放置在不同的地方，通过队列连接起来。操作系统拥有它们的存储位置信息，可到对应位置进行获取。

将进程根据状态来区分开来，便于操作系统的管理。

区分阻塞态和就绪态：
（1）阻塞态：进程停止，缺必要的资源，给CPU调度机会也不能运行。

• 事件：
  • 等待资源（临界资源、临界区）
  • 信息交换（I/O输入输出、读写内存）
  • 进程同步（停下来等待其他进程）

（2）就绪态：进程停止，资源都不缺，只缺CPU调度，给CPU调度就能运行

• 事件：
  • 阻塞的进程获得等待的资源或信号 （阻塞态 —> 就绪态）
  • 时间片轮转的情况下，进程的时间片用完了 （运行态 —> 就绪态）
  • CPU调度给优先级更高的进程 （运行态 —> 就绪态）

（2）如何切换多进程

1）队列操作

保存现场状态，将进程放到阻塞队列或就绪队列中，再根据调度规则从就绪队列中调度一个进程来执行。

3）调度

3）切换

假设正在执行进程为p1，对应PCB1，要切换到的进程为p2，对应PCB2。

当要进行进程切换时，先通过赋值的方式，将当前CPU里的信息保存到PCB1之中。然后再将PCB2中的信息，赋值给CPU，从而完成了从p1进程到p2进程的切换。

（3）如何解决多进程交替时的相互影响？

当多个进程同时存在于内存时，可能会出现访问统一资源并对该资源进行改写的问题。这时，就需要限制对该资源对应的地址的读写操作。

通过映射表来实现地址空间的分离。

映射表是内存管理的核心！

进程1访问100地址时，经过映射表后得到的物理内存地址是782，进程2访问100地址时，得到的物理内存地址时1260，实现了多个进程各自只能访问各自的内存空间而互不影响，从而实现了多进程共存。而只有共存的进程，才可以进程交替执行，也就相当于进程共存为进程的交替执行提供了条件。

（4）如何让多进程合作？

进程1和进程2合作执行时，可能会出现同时修改7地址这个位置。



想要完成多进程的合作，核心在于进程同步（合理的推进顺序），在使用临界资源时将其上锁。

（5）总结

总结
进程的四个任务
（1）PCB是OS中最重要的结构，贯穿始终，解决了如何组织多进程。
（2）写调度程序，解决了如何调度多进程（调度规则）。
（3）操作寄存器完成切换，解决如何切换多进程（PCB与CPU信息）。
（4）进程同步与合作，要有地址映射，解决了如何解决多进程相互的影响与合作。（映射表、同步与互斥）