目录

1. 进程及其实现

2. 没有进程概念之前的系统

3. 进程的属性

4. 进程的内存映像

5. 进程状态及其转换

6. 进程描述与操作控制结构

操作控制结构： 操作系统使用数据结构来记录进程和系统资源的状态：

进程控制块（PCB）： 是操作系统用来管理进程的关键数据结构，包含了进程标识信息、状态信息和控制信息，是操作系统实现多任务处理的核心。

7. 进程管理

8. 上下文切换

上下文切换的步骤：

9. 系统调用（System Call）

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1. 进程及其实现

• **进程（Process）**是一个正在运行的程序实例，具有自己的内存空间、资源和执行状态。它是操作系统资源管理的基本单位。
• 与**程序（Program）**不同，程序是存储在磁盘上的静态代码，而进程是程序在运行时的动态实体，包括可执行代码、输入、输出以及分配的资源。

2. 没有进程概念之前的系统

• 串行处理（Serial Processing）：
  • 没有操作系统的早期计算机通过物理开关或穿孔卡输入程序，并由人工调度。程序顺序执行，缺乏自动化和内存保护。
• 批处理（Batch Processing）：
  • 将一组作业收集在一起按顺序执行。早期的批处理系统使用**作业控制语言（JCL）**来指定作业的执行指令。整个系统在任何时候只能运行一个程序，不存在多任务并发。

3. 进程的属性

• 进程属性： 包括程序代码、输入数据、输出结果以及进程控制结构（如进程控制块PCB）。
• 示例： 一个未运行的程序（如磁盘上的notepad.exe）只是一个静态实体；当用户打开它时，操作系统将它加载到内存，分配资源，形成一个活跃的进程，可以与系统进行交互。

4. 进程的内存映像

• 运行中的进程在内存中占用特定空间，由以下几个主要段组成：
  • 文本段（Text Segment）： 存储程序的可执行代码，是只读的。
  • 数据段（Data Segment）： 存储全局变量、常量和静态变量。
  • 堆段（Heap Segment）： 用于动态内存分配，存储通过malloc或new分配的内存。
  • 栈段（Stack Segment）： 用于管理函数调用、局部变量、参数和返回地址。

5. 进程状态及其转换

• 进程的状态包括：新建（New）、就绪（Ready）、运行（Running）、等待（Waiting）和终止（Terminated）。
• 状态转换： 进程在执行过程中会根据不同的事件（如 I/O 完成、系统调用、中断等）在这些状态之间进行转换。例如，从“就绪”到“运行”是由调度程序分配 CPU 导致的，从“运行”到“等待”是因为等待 I/O 操作。
• 操作系统使用状态转换图来管理和调度多任务环境中的进程。

• 进程在执行过程中会在不同的状态之间进行转换。常见的转换包括：

  • New → Ready（新建到就绪）：
    当一个进程被创建后，操作系统将它加入到就绪队列，等待执行。这是进程从“新建”状态进入“就绪”状态的转换。
  • Ready → Running（就绪到运行）：
    当调度程序选择某个就绪进程并将其分配到CPU上时，进程进入“运行”状态，开始执行指令。
  • Running → Waiting（运行到等待）：
    如果进程需要等待某个事件（如等待I/O操作完成或进行系统调用），它会从“运行”状态切换到“等待”状态。此时，CPU将被释放给其他就绪进程。
  • Waiting → Ready（等待到就绪）：
    当等待的事件（如I/O操作）完成时，进程会从“等待”状态转换到“就绪”状态，准备再次被调度执行。
  • Running → Ready（运行到就绪）：
    进程被抢占（preempted）时发生，例如当一个定时器中断触发，操作系统决定暂停当前进程，将CPU分配给其他更高优先级的进程。此时，进程从“运行”状态返回到“就绪”状态，等待下一次被调度。
  • Running → Terminated（运行到终止）：
    当进程完成任务或遇到异常时，会从“运行”状态进入“终止”状态。此时，操作系统会进行资源回收和清理。

6. 进程描述与操作控制结构

• 操作控制结构： 操作系统使用数据结构来记录进程和系统资源的状态：

  • 进程表（Process Tables）： 是一组**进程控制块（PCB）**的集合，记录每个进程的详细信息。
  • 内存表、I/O 表、文件表： 跟踪系统内存、输入/输出设备和文件的状态。

• 进程控制块（PCB）： 是操作系统用来管理进程的关键数据结构，包含了进程标识信息、状态信息和控制信息，是操作系统实现多任务处理的核心。

• PCB包含的三类属性：
  1. 进程标识信息（Process Identification）：
     • 进程ID（PID）： 系统为每个进程分配的唯一标识符，用于区分不同的进程。
     • 用户ID（UID）： 表示拥有该进程的用户，有助于确定进程的权限和操作范围。
     • 父进程ID（PPID）： 指示创建该进程的父进程，用于管理进程间的关系和层次结构。
  2. 进程状态信息（Process State Information）：
     • 进程状态： 当前进程的状态，如就绪、运行、等待、阻塞或终止。
     • 程序计数器（PC）： 保存进程下一条将要执行的指令的地址，

便于在上下文切换后继续执行。

• CPU寄存器： 包括累加器、索引寄存器、堆栈指针和通用寄存器的当前值，

用于保存进程暂停时的执行状态，以便在切换回来时恢复。

1. 进程控制信息（Process Control Information）：
   • 调度信息（Scheduling Information）： 包括优先级、调度队列指针和其他调度算法

所需的信息（如轮转调度、优先级调度）。

• 内存管理信息（Memory Management Information）： 包括进程的内存分配信息，

例如：

• 基址寄存器和限长寄存器： 定义进程可使用的地址空间范围。
• 页表（Page Tables）： 如果系统使用虚拟内存，则用页表映射逻辑地址到物理地址。
• 段表（Segment Tables）： 在分段内存系统中，定义进程的各个内存段。

• I/O状态信息： 包含进程打开的文件列表、分配的I/O设备以及指向I/O缓冲区的指针。
• 计费信息（Accounting Information）： 跟踪进程的资源使用情况，如CPU时间、内存占用、I/O操作，用于性能评估和系统计费。
• 进程权限（Process Privileges）： 定义进程的权限，例如可以访问哪些系统资源，允许执行哪些操作（如读取文件、访问I/O设备）。
• 信号和标志（Signals and Flags）： 表示进程收到的信号或标志，如中断信号、终止信号或系统警报。

7. 进程管理

• 操作系统在进程管理中的职责：
  • 管理 PCB：创建、维护和更新每个进程的状态、资源和执行信息。
  • 进程的创建与终止：根据需要创建新进程，或在执行完成后终止进程。
  • 进程切换：在不同进程之间切换，以实现多任务处理。
  • 提供用于进程管理的系统调用：包括fork()、exec()、wait()和exit()等。

8. 上下文切换

• 上下文切换（Context Switching）： 是操作系统在多个进程之间共享 CPU 的机制。涉及保存当前进程状态（如程序计数器、寄存器）到 PCB 中，然后加载另一个进程的状态，实现多任务处理。

上下文切换的步骤：

• 图中显示了两个进程：进程 P₀ 和 进程 P₁，以及操作系统在两者之间进行上下文切换的过程。
• 执行状态（executing）： 竖线上的黑色部分表示当前进程正在运行，CPU 正在执行该进程的指令。
• 空闲状态（idle）： 竖线上的白色部分表示当前进程处于空闲状态（idle），等待 CPU 资源。
• 触发上下文切换（interrupt or system call）：
  • 上下文切换通常由中断（如定时器中断）或系统调用（如 I/O 请求）触发。当触发事件发生时，当前正在执行的进程（如 P₀）会被中断，操作系统开始进行上下文切换。
• 保存当前进程状态（save state into PCB₀）：
  • 操作系统保存当前进程（P₀）的状态，包括程序计数器（Program Counter）和 CPU 寄存器的值。这个状态信息会被存储到进程的**进程控制块（PCB₀）**中，以便稍后可以恢复该进程的执行。
• 更新 PCB 状态：
  • 当前进程的 PCB 状态更新为 "ready"（就绪），并被移动到相应的队列中（如就绪队列或阻塞队列）。
• 运行调度程序（Run scheduler, select new process）：
  • 操作系统中的调度程序运行，选择下一个要执行的进程（如 P₁）。
• 加载新进程状态（reload state from PCB₁）：
  • 操作系统从新选中的进程（P₁）的 PCB 中恢复其状态，将其程序计数器和寄存器等信息重新加载到 CPU 中。
• 更新 PCB 和内存结构：
  • 新进程的 PCB 状态被更新为 "running"（运行中），并更新相关的内存结构，以便新进程在下一个时间片内正常执行。
• 恢复进程（restore process）：
  • 新进程（P₁）开始执行，进入运行状态。
• 触发条件： 上下文切换通常由中断或系统调用触发，如 I/O 请求、定时器中断等。

9. 系统调用（System Call）

• 系统调用是用户程序与操作系统交互的接口，用户通过系统调用请求操作系统提供的服务（如进程管理、文件操作、内存分配等）。
• 本节介绍了用于进程管理的关键系统调用：
  • fork()： 创建一个新的子进程，子进程是当前进程的副本。
  • exec()： 用于替换当前进程的内存映像，执行一个新的程序。
  • exit()： 用于进程正常退出。
  • wait()： 父进程使用它等待子进程完成。