Process

• Program vs Process
• Process State Transition Diagram
• Process Control Block
• Scheduling and Scheduler
• Context Switch

Program: 單純儲存在 disk 中的檔案，尚未被執行

Process: 正在執行中的程式 (Program) 即為程序、行程 (Process)，A program in execution

一個 Process 主要包含:

• Code Section (程式碼、程式區間)
• Data Section (資料區間)
• Program Counter (程式計數器)
• CPU Register (通用暫存器、基底暫存器…)
• Stack

Process 在執行過程會改變狀態，行程狀態圖 (Process STD) 描述 Process 由開始到結束的生命週期

Process STD 是針對 CPU 這項資源，Data 都在 Memory 中

1. new → ready: Job scheduler 允許工作進入系統，建立 process，配置記憶體空間載入程式碼
2. ready → running: CPU scheduler 由 ready queue 選擇一個 priority 最高的 process 到 CPU 執行，這裡會進行 context switch
3. running → waiting: 發生較長時間的中止時，如 I/O request、Semaphore operation、Receive Message 等，Process 會先 block 住
4. waiting → ready: 當造成 waiting 的事件已經完成，如 I/O complete 等，Process 會回到 ready 狀態
5. running → ready: 發生短暫中止時，如被高優先權的 process 插隊、CPU Time Quantum 超過、Interupt 等，Process 會直接回到 ready 狀態
6. running → terminated: 程式完成工作而正常結束，或是溢位、除零等異常終止 (Abort)

行程控制區塊 Process Control Block, PCB，又稱 Task/Job Control Block

PCB 是作業系統為了管理 Process 而用來記錄行程相關狀態的資料區塊，眾多 Processes 的這些 PCBs 集合有時也稱 Process Table，換言之，table 中每個 entry 就是一個 Process 的 PCB

PCB 包含以下資訊:

• Process ID
• Process State: 即前面的 new, ready, running, waiting 等
• Program counter: 記錄 Process 中下一個 CPU 要執行的指令位址
• CPU 暫存器保存區: 當 process 不在 running state 時，所有 CPU 暫存器的內容皆須保留至此
• 排程相關資訊: 如 priority，排隊佇列等
• 記憶體管理資訊: Base Register, Limit Register, Page table, Segment table 等
• 帳號資訊: 如 process 所屬的 user id、已用掉的 CPU 時間、使用 CPU 的做大時間量等
• I/O 狀態資訊: 尚未完成的 I/O request、已開啟的檔案串列等資訊

從一群等候執行的程式中挑選出 priority 最高者，賦予處理器的使用權，這一個過程稱為排程 (Scheduling)

一個 Process 的執行時間是一連串 CPU 執行時間和 I/O 等待時間組成

行程集中使用 CPU 計算的這段期間稱為 CPU Burst，行程在等待 I/O 完成的這段期間則稱為 I/O Burst

• CPU Bound Job: 一個程式包含有一些較長的 CPU burst，相對的 I/O burst 較短
• I/O Bound Job: 一個程式包含有一些較長的 I/O burst，相對的 CPU burst 較短

同時載入記憶體的 processes 數量，稱為 Degree of Multiprogramming

Process Scheduling Queue

作業系統在 Process Scheduling Queue 中維護所有的 PCB

• Job queue − This queue keeps all the processes in the system.
• Ready queue – in main memory, ready and waiting to execute
• Device queues – waiting for an I/O device

排班程式 (Scheduler) 的種類

1. Long-Term Scheduler: 又稱 Job Scheduler [new → ready]
   • 從 Job Queue 中挑選適合的工作，將其載入 Memory 中準備執行
   • 通常適用於 Batch System，但不適用於 Time-Sharing System
   • 可調控 Multiprogramming Degree
   • 可調合 CPU-Bound 與 I/O Bound processes 之混合比例
   • 執行頻率最低
2. Short-Term Scheduler: 又稱 CPU Scheduler [ready → running]
   • 從 Ready Queue 挑選高優先度的 Process，使之獲得 CPU 控制權執行
   • Batch System 和 Time-Sharing 均需要
   • 執行頻率最高
   • 這部分在 CPU Scheduling 章節會在細提
3. Medium-Term Scheduler: [virtual memory]
   • 當記憶體空間不足，且又有其它 Process 欲進入記憶體執行，此時該 Scheduler 必須挑選某些 Process 將其 Swap Out 到磁碟中以空出記憶體空間，待記憶體有足夠空間再將其 swap in 記憶體中繼續執行
   • 通常用在 Time-Sharing System
   • 減少 Multiprogramming Degree
   • 可調合 I/O Bound 與 CPU Bound 的比例

當 CPU 的使用權由一個 Process 切換到另一個 Process 這之間的工作即稱為 Context Switch

過程:

1. 將舊 Process 的狀態保存至 PCB
2. 選擇出新 Process
3. 將新 Process 的狀態從 PCB 載入
4. 將 CPU 的使用權轉移

Context Switch 所花費的時間是一個成本，可能成為系統效能瓶頸，因為 Context switch 這個過程對系統而言是沒有生產力的

Context Switch 花費的時間和硬體支援有密切關係，若處理器提供多組暫存器給不同 Process 使用，則在 Context switch 過程中只需要切換指向暫存器的指標，加快切換速度