行程(Process)的基本概念

• 作業系統執行時有多種程式方式：

1. 工作方面--批次系統(Batch System)。
2. 使用者和任務方面--分時系統(Time shared systems)。

• 所謂的行程，就是程式在執行；而行程執行時，需要依照程式的順序來執行。
• 行程的組成部分可分為4項：

1. 行程的程式碼，稱作為text section。
2. 一些數據會暫時儲存在Stack裡面，執行完畢會刪除，如：Function parameters、return addresses等。
3. 在數據中，包含了global variables。
4. 在執行期間，有些動態的數據會被分配存在Heap裡面。

• 程式(Program)是「主動」儲存在硬碟裡；行程(Process)是「被動」儲存在硬碟中。

1. 當在執行的檔案載入記憶體時，程式就成為行程。

• 一個程式，可以對到多個行程。

1. 如多個使用者可以同時一起使用相同的程式。

行程狀態

• 當行程在執行時，它的狀態可以隨時改變。

1. new：新增行程。
2. running：依照指令執行。
3. wating：當有其他事件發生，屬於優先順序時，會進入暫停等待。
4. ready：已經就緒，等待分配進入處理器。
5. terminated：行程結束。

行程控制區塊(Process Control Block,PCB)

• PCB裡內含行程的基本資料，以及連結著每一個行程，所以也稱作為「任務控制區塊(task control block)」。

1. 行程狀態(Process state)：running、waiting等。
2. 行程計數器(Process counter)：表示下個指令位置在哪裡。
3. CPU暫存器(CPU registers)：當行程被插斷後，儲存在CPU暫存器的內容。
4. CPU排程(CPU scheduling)：選擇優先順序的行程。
5. 記憶體(Memory)：管理分配給行程的記憶體資料、打開了那些檔案。
6. 紀錄(Accounting)：紀錄CPU使用狀態、時間等。
7. I/O狀態敘述(I/O status information)：打開文件列表，將I/O裝置分配給行程。

執行緒(Threads)

• 每一行程都擁有單一執行緒去執行。
• 每一行程擁有多個程式計數器。

1. 在執行當下，可以多個位置一起執行(平行執行)。

• 須有行程詳細的細節儲存，多個程式計數器儲存在PCB裡。

行程排程(Process Schedular)

• 目的：讓CPU使用效能能達到最大化。
• 選擇可執行、可使用的行程給CPU執行。
• 包含行程排程佇列：

1. 工作佇列(Job Queue)：組合所有行程到系統中。
2. 就緒佇列(Ready Queue)：組合所有行程在記憶體中，讓它們等待、就緒去執行。
3. 裝置佇列(Device Queue)：組合所有行程等待I/O裝置。
4. 行程可移到多個佇列中。

排程(Sedular)

• 短期佇列(Short-term Schedular)：

1. 選擇在記憶體內的那些行程去控制CPU。
2. 常使用，所以速度迅速(milliseconds)。

• 長期佇列(Long-term Schedular)：

1. 決定要把哪些行程放入記憶體裡。
2. 決定要把行程搬離記憶體獲搬入記憶體。
3. 決定多少行程在記憶體中。
   4.不常使用，速度較慢(seconds,minutes)。

• 安排CPU的時間：
  1.I/O-bound process：傾向於處理輸出入作業，如撥放影片。此時I/O週期長於CPU週期。
  2.CPU-bond process：傾向於處理大量計算的工作，如何核電廠的模擬。此時CPU週期長於I/O週期。

中期排程(Medium Term Scheduling)

• swapping：當出現特定狀況或系統負荷量過大時，會另一部分的行程從記憶體中移出，降低負荷量。當一部分程式完成時，會再載入之前移出的行程，使其繼續進行工作。

移動系統中的多任務處理

• 某些移動系統中，允許只有一個行程執行，其餘的先暫停。
• 使用者介面會限制iOS提供：

1. 單一前景行程：透過UI控制。
2. 多個背景行程：在記憶體中執行，但不會顯示出來且有所限制。

• Andorid在執行前景和背景時，會有些許的限制：

1. 背景行程使用Service去執行任務。
2. 即便背景行程暫停，Service也可以持續執行。
3. Service沒有UI只有使用少許記憶體。

執行環境改變

• 當CPU要改變環境時，會先儲存舊行程的狀態，再進行環境改變，將舊行程狀態載入新行程中。
• 由PCB表現行程的環境。
• 每個CPU可以暫存好多環境，當要使用時無須重新下載，直接使用可以使環境改變加快。
• 執行環境改變對系統來說是一個過大的負荷量，所以如果OS設計繁雜，將會使系統效能下降、耗時、CPU使用率降低。

行程新增

• 父行程會新增多個子行程，而這些行程將會成為一個樹狀結構。
• 透過process identifier(pid)辨識與管理行程。
• 父、子行程間的資源分配方式：

1. 父、子行程間共享資源。
2. 子行程共享父行程的部分資源。
   3.父、子行程間不共享資源。

• 位址空間：

1. 父行程新增重複子行程。
2. 子行程的程式會下載進入位置空間。

• UNIX的範例：

1. 使用系統呼叫--fork( )新增行程。
2. 在使用fork( )之後，會使用exec( )方法，使新程式取代行程記憶體。

行程結束

• 當行程執行到最後一句時，會透過系統呼叫-exit( )將所得資源還回去，並告知OS行程已完成。

1. 子行程會透過wait( )方式，將數據狀態傳回父行程。

• 父行程會透過系統呼叫-abort( )結束子行程，原因有以下這些：

1. 避免子行程使用過多資源。
2. 避免子行程無法自己結束，將會形成「孤兒」。

• 有些OS會不允許當父行程結束時，子行程未結束，所以會讓所有子行程都結束。
• 父行程可能會等待子行程使用wait( )，傳回狀態訊息；當狀態訊息回傳之後，行程的pid會終止。
• 當子行程結束，卻發現沒有父行程在等待，此子行程會變成「殭屍」(zombie)。
• 當父行程結束卻沒有使用wait( )等待子行程，此時，子行程會變成「孤兒」(orphan)。

多行程架構-Chrome Browser

• 許多網頁瀏覽器會單一執行行程。

1. 當網頁當機時，瀏覽器可能會掛著或著崩潰。

• Google瀏覽器使用3種行程架構：

1. Browser行程管理UI、硬碟、I/O網路。
2. Renderer行程給予網頁處理HTML、Java。