进程的概念

进程是操作系统中的基本概念，用于描述正在运行的程序实例。

它是计算机系统中一个程序或任务的执行过程，每个进程都是独立的实体，相互之间不受影响。

进程具有以下特征：

• 动态性

• 并发性

• 独立性

• 异步性

• 结构性

程序的概念

程序是静态的，存储在磁盘上的可执行文件，是一系列指令的集合；用于解决特定问题或实现特定功能的计算机软件。

进程和程序之间是多对多的关系，一个进程可以对应多个线程，而一个程序可以对应一个或多个进程。

进程控制块 PCB

进程控制块 PCB（Process Control Block） 是在创建进程时，系统给每个进程分配的管理者，是进程存在的唯一标识。

它包含了操作系统维护进程所需的所有信息，用于跟踪和管理每个进程的状态、上下文、资源分配等关键信息。

PCB 由下列四个部分组成：

1. 进程标识信息：包括进程ID（PID）和父进程ID，用于唯一标识一个进程以及确定其父进程。

2. 进程控制和管理信息： 包括进程的状态（就绪、运行、阻塞等）、调度优先级、时间片、进程的状态改变原因等。

3. 资源分配清单：记录进程所分配的资源，例如：内存、磁盘、处理器等。

4. 处理机状态信息： 记录了进程的寄存器内容，程序计数器（PC）和堆栈指针等，用于保存和恢复进程的执行上下文。

进程的组成

每个独立的进程主要由三个部分组成，分别是：

• PCB

• 程序段： 指进程执行的程序代码，它包括了程序的指令集合。

• 数据段：指进程所使用的数据，包括程序执行过程中需要处理的数据、变量、常量等。保存了程序运行时所需的各种数据信息。

其中 PCB 是供操作系统使用的，程序段和数据段是供进程使用的。

进程状态

在操作系统中，进程可以处于不同的状态，这些状态描述了进程在其生命周期中的不同情况和条件，主要有 5 中进程状态，分别是：

1. 创建态：进程刚刚被创建，正在进行初始化。

2. 就绪态：除 CPU 外的资源都已经分配完毕，等待系统调用执行。

3. 运行态：进程正在 CPU 上执行指令，处于运行状态。

4. 阻塞态（等待态）： 进程因为某些事件而暂时停止执行，等待特定的事件发生，如等待输入输出完成、等待某个信号等。处于阻塞态的进程不会消耗系统的 CPU 资源，但会占用一定的系统内存资源。

5. 结束态：进程执行完毕或被操作系统终止，释放其占用的系统资源。

进程状态转换

在进程的整个生命周期中，主要会处于就绪态、运行态以及阻塞态这三种状态。

基于单 CPU 的情况下，同一时刻只会有一个进程处于运行状态，由此便可以引出进程之间的转换概念。

状态转换：

• 创建态 ——> 就绪态：一个新创建的进程会进入就绪状态等待调度器分配 CPU 时间片。

• 就绪态 ——> 运行态：系统调用分配时间片后，进入运行状态。

• 运行态 ——> 就绪态：系统分配的时间片用完后，重新进入就绪状态等待分配时间片。

• 运行态 ——> 阻塞态：运行状态的进程可能因为等待某个事件而转入阻塞状态。（主动操作）

• 阻塞态 ——> 就绪态：系统给处于阻塞状态的进程分配了所需资源，重新进入就绪态。（被动操作）

• 运行态 ——> 终止态：进行运行完毕或者出现异常，释放资源，结束进程。

进程队列

进程队列是指在操作系统中，相同状态的进程所形成的组织，称为：队列。

进程队列是操作系统实现多道程序设计和进程调度的重要工具，用于存储和组织系统中的各个进程，以便操作系统能够有效地管理它们。

主要的进程队列有以下几种类型：

1. 就绪队列：存放所有已经准备好运行但尚未得到 CPU 执行的进程。根据优先级，操作系统的调度程序会从这个队列中选择一个进程，分配 CPU 时间片，使其进入运行状态。

2. 阻塞队列 ：存放因为等待某个事件发生而暂时停止执行的进程。例如：输入输出、资源分配等事件完成。阻塞队列也可以划分为更为详细的队列，例如：等待摄像头阻塞队列，等待磁盘阻塞队列等

3. 完成队列：存放已经执行完成的进程的队列。进程完成后，其 PCB 可能会被移至此队列等待释放资源或其他操作。

队列远远不止提到的这几种，根据划分的形式、定义不同，可以衍生出各种队列。

进程的组织

在一个操作系统中，每一个进程都会拥有一个唯一的 PCB，大量的 PCB 由此便产生了对进程的组织方式。

常用的组织方式有三种：

1. 线性方式：将所有的 PCB 以线性结构的形式组织在一张表中，通常，这张表可以是一个数组或链表，其中存储了所有进程的 PCB 信息。

2. 链接方式

链接方式就是分为各种各样的指针队列，以链表的形式进行索引。

• 执行指针：指向当前处于运行状态的进程。
• 就绪队列指定：指向当前处于就绪态的进程。
• …

3. 索引方式：根据不同的状态，建立索引表，访问速度快。例如：就绪索引表、阻塞索引表。

进程控制

进程控制指的是操作系统对进程的监控、调度、协调和管理，以确保系统中的多个进程能够有效、安全、有序地运行。它涵盖了对进程的创建、调度、状态转换、资源分配、终止等方面的控制和管理。

从创建进程到终止进程，这期间会执行多个原子性操作，确保进程的安全、完整。

内核的两大功能

支撑功能

• 中断处理
• 时钟管理
• 原语操作

资源管理功能

• 进程管理
• 存储器管理
• 设备管理

进程创建

在创建进程阶段，操作系统会进行原语创建，主要包含以下几个操作：

1. 申请 PCB；
2. 为进程分配所需资源（CPU 除外）；
3. 初始化 PCB；
4. 由创建态 ——> 就绪态。

引起进程创建的事件：

1. 作业调度：多道操作系统中，当作业放入内存时，会为其建立一个进程。
2. 交互登录：分时系统中，用户登录成功时。
3. 服务请求：当操作系统为某个作业提供某项服务时。
4. 程序执行：提交一个新的程序进行执行时。

进程终止

进程终止时，会撤销针对这个进程的原语，主要包含以下几个操作：

• 找到 PCB；
• 终止其所属的子进程；
• 释放资源或归还给父进程；
• 删除 PCB；
• 由运行态 ——> 终止态。

引起进程删除的事件：

1. 正常结束
2. 异常结束
3. 外界干预

进程阻塞与唤醒

阻塞

在进程产生阻塞的阶段，主要包含以下几个操作：

• 找到对应 PCB；
• 保护进程运行现场，挂起；
• 进入阻塞队列；
• 由运行态 ——> 阻塞态。

引起进程阻塞的事件：

1. 等待系统分配某种资源
2. 依赖其它进程的返回结果
3. …

唤醒

在进程唤醒的阶段，主要包含以下几个操作：

• 找到在等待队列中的 PCB；
• 进入就绪队列；
• 由阻塞态 ——> 就绪态。

引起进程唤醒的事件：

1. 系统为等待队列中的进程分配了所需资源
2. 依赖的进程结果已经返回
3. …

进程阻塞和唤醒往往都是成对出现的，谁阻塞谁唤醒，举例说明：当前摄像头正在被其它进程占用，导致无法运行，那么等摄像头空闲时，该进程将会被唤醒。

进程切换

进程切换顾名思义就是在进程的几种状态之间进行转换，主要包含以下几个操作：

• 保存处理机上下文；
• 更新当前 PCB 信息；
• 将当前 PCB 切换到对应状态；
• 选择另一个进程执行，更新其 PCB 信息；
• 更新内存管理的数据结构；
• 恢复处理机上下文。

引起进程切换的事件：

1. 系统所分配的时间片用完了；
2. 阻塞；
3. 当前程序运行完毕；
4. 优先级更高的进程进入了队列；
5. 程序出错。

进程通信