進(jìn)程(Process) 的定義

從不同的角度焕窝，進(jìn)程可以有不同的定義尔破，傳統(tǒng)典型的定義：

進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過程媳叨。 或者：一個(gè)正在執(zhí)行的程序的實(shí)例

進(jìn)程是一個(gè)程序及其數(shù)據(jù)在處理機(jī)上順序執(zhí)行所發(fā)生的活動(dòng)

進(jìn)程是具有獨(dú)立功能的程序在數(shù)據(jù)集合上運(yùn)行的過程万牺，它是系統(tǒng)進(jìn)行資源分配和調(diào)度的一個(gè)獨(dú)立單位

通過htop命令顯示的進(jìn)程列表

進(jìn)程和程序的關(guān)系

進(jìn)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)概念，程序是一個(gè)靜態(tài)概念邢享。

進(jìn)程具有并發(fā)特征鹏往，程序沒有（程序全部是順序的）。

進(jìn)程是競(jìng)爭(zhēng)資源的基本單位骇塘。

一個(gè)程序?qū)?yīng)多個(gè)進(jìn)程伊履，一個(gè)進(jìn)程為多個(gè)程序服務(wù)。

進(jìn)程的狀態(tài)(State)

創(chuàng)建(New)： 進(jìn)程正在被建立的階段绪爸。

就緒(Ready?)：當(dāng)進(jìn)程已分配到除CPU以外的所有必要資源后湾碎，只要再獲得CPU宙攻，便可立即執(zhí)行奠货，進(jìn)程這時(shí)的狀態(tài)稱為就緒狀態(tài)。在一個(gè)系統(tǒng)中處于就緒狀態(tài)的進(jìn)程可能有多個(gè)座掘，通常將它們排成一個(gè)隊(duì)列递惋，稱為就緒隊(duì)列

運(yùn)行(Running?)：進(jìn)程占有CPU，并在CPU上運(yùn)行指令溢陪。

等待/阻塞(Waiting?/blocked)：正在執(zhí)行的進(jìn)程由于發(fā)生某事件而暫時(shí)無法繼續(xù)執(zhí)行時(shí)萍虽，便放棄處理機(jī)而處于暫停狀態(tài)，亦即進(jìn)程的執(zhí)行受到阻塞形真，把這種暫停狀態(tài)稱為阻塞狀態(tài)杉编，也稱為等待狀態(tài)或封鎖狀態(tài)。致使進(jìn)程阻塞的典型事件有：請(qǐng)求I/O咆霜，申請(qǐng)緩沖空間等邓馒。通常將這種處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程也排成一個(gè)隊(duì)列。有的系統(tǒng)則根據(jù)阻塞原因的不同而把處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程排成多個(gè)隊(duì)列蛾坯。

終止(Terminated?)：進(jìn)程已經(jīng)完成了執(zhí)行光酣。

進(jìn)程的五種基本狀態(tài)及轉(zhuǎn)換

進(jìn)程控制塊(PCB)

進(jìn)程控制塊(Process Control Block?PCB) 是操作系統(tǒng)核心中一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來表示進(jìn)程狀態(tài)脉课，記錄進(jìn)程的外部特征救军，描述進(jìn)程的運(yùn)動(dòng)變化過程财异。同時(shí)，操作系統(tǒng)可以利用PCB來控制和管理進(jìn)程唱遭。

一般情況下戳寸，PCB中包含以下內(nèi)容：

標(biāo)識(shí)信息：

用于存放唯一標(biāo)識(shí)該進(jìn)程的信息。系統(tǒng)分配的標(biāo)識(shí)號(hào)拷泽、系統(tǒng)分配的進(jìn)程組標(biāo)識(shí)號(hào)庆揩、用戶定義的進(jìn)程名、用戶定義的進(jìn)程組名跌穗。

現(xiàn)場(chǎng)信息：

用于存放該進(jìn)程運(yùn)行時(shí)的處理器現(xiàn)場(chǎng)信息订晌。用戶可見寄存器內(nèi)容：數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器蚌吸、控制與狀態(tài)寄存器內(nèi)容：PC(程序計(jì)數(shù)器)锈拨、IR(指令寄存器)、PSW(程序狀態(tài)字)羹唠。棧指針內(nèi)容：核心棧與用戶棧指針

控制信息：

用于存放與管理奕枢、調(diào)度進(jìn)程相關(guān)的信息。調(diào)度相關(guān)信息：狀態(tài)佩微、等待事件/原因缝彬、優(yōu)先級(jí)。進(jìn)程組成信息：代碼/數(shù)據(jù)地址哺眯、外存映像地址谷浅。進(jìn)程隊(duì)列指引元：進(jìn)程隊(duì)列指針、父子兄弟進(jìn)程指針奶卓。

進(jìn)程通信相關(guān)信息：消息隊(duì)列一疯、信號(hào)量、鎖夺姑。進(jìn)程處理器使用信息：占用的處理器墩邀、時(shí)間片、處理器使用時(shí)間/已執(zhí)行總時(shí)間盏浙、記賬信息眉睹。進(jìn)程特權(quán)信息：如內(nèi)存訪問權(quán)限、處理器特權(quán)废膘。進(jìn)程資源清單信息：如正占有的資源竹海、已使用的資源。

進(jìn)程控制塊PCB

PCB的作用

PCB?可以被操作系統(tǒng)中的多個(gè)模塊讀或修改殖卑，如被調(diào)度程序站削、資源分配程序、中斷處理程序以及監(jiān)督和分析程序等讀或修改孵稽。 操作系統(tǒng)是根據(jù)?PCB來對(duì)并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程進(jìn)行控制和管理的许起，它是操作系統(tǒng)中最重要的記錄型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)十偶。

Linux?系統(tǒng)中PCB結(jié)構(gòu)用?task_struct?數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，?Windows系統(tǒng)的PCB：EPROCESS园细，

PCB使一個(gè)在多道程序環(huán)境下不能獨(dú)立運(yùn)行的程序(含數(shù)據(jù))惦积，成為一個(gè)能獨(dú)立運(yùn)行的基本單位， 一個(gè)能與其它進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行的進(jìn)程猛频。

進(jìn)程的組成

PCB狮崩、程序段、數(shù)據(jù)段組成了進(jìn)程實(shí)體鹿寻，也叫進(jìn)程映像睦柴。一般情況下，我們把進(jìn)程實(shí)體就簡(jiǎn)稱為進(jìn)程毡熏，所謂創(chuàng)建進(jìn)程坦敌，實(shí)質(zhì)上創(chuàng)建進(jìn)程實(shí)體中的PCB；而撤銷進(jìn)程痢法，實(shí)質(zhì)上就是撤銷進(jìn)程實(shí)體中的PCB狱窘。

進(jìn)程上下文(context)

除了進(jìn)程實(shí)體(進(jìn)程映像)，進(jìn)程的執(zhí)行還需要環(huán)境支持财搁，包括CPU現(xiàn)場(chǎng)和Cache中的執(zhí)行信息蘸炸， 操作系統(tǒng)中的進(jìn)程物理實(shí)體（代碼和數(shù)據(jù)等）和支持進(jìn)程運(yùn)行的環(huán)境合成進(jìn)程上下文，用于刻畫進(jìn)程的執(zhí)行情況尖奔，進(jìn)程在當(dāng)前上下文中運(yùn)行搭儒。

在前面的操作系統(tǒng)基礎(chǔ)4我們已經(jīng)說過關(guān)于CPU的內(nèi)核模式與用戶模式。在操心系統(tǒng)基礎(chǔ)6也已經(jīng)說過關(guān)于中斷越锈。 正是有了不同運(yùn)行狀態(tài)的劃分仗嗦，才有了上下文的概念膘滨。

用戶空間的應(yīng)用程序甘凭，通過系統(tǒng)調(diào)用，進(jìn)入內(nèi)核空間火邓。這個(gè)時(shí)候用戶空間的進(jìn)程要傳遞很多變量丹弱、參數(shù)的值給內(nèi)核，內(nèi)核模式運(yùn)行的時(shí)候也要保存用戶進(jìn)程的一些寄存器值铲咨、變量等躲胳。所謂的“進(jìn)程上下文”，可以看作是用戶進(jìn)程傳遞給內(nèi)核的這些參數(shù)以及內(nèi)核要保存的那一整套的變量和寄存器值和當(dāng)時(shí)的環(huán)境等纤勒。

硬件通過觸發(fā)信號(hào)坯苹，導(dǎo)致內(nèi)核調(diào)用中斷處理程序，進(jìn)入內(nèi)核空間摇天。這個(gè)過程中粹湃，硬件的一些變量和參數(shù)也要傳遞給內(nèi)核恐仑，內(nèi)核通過這些參數(shù)進(jìn)行中斷處理。所謂的“中斷上下文”为鳄，其實(shí)也可以看作就是硬件傳遞過來的這些參數(shù)和內(nèi)核需要保存的一些其他環(huán)境（主要是當(dāng)前被打斷執(zhí)行的進(jìn)程環(huán)境）裳仆。

進(jìn)程上下文可以劃分為：

（1）用戶級(jí)上下文：用戶程序塊/用戶數(shù)據(jù)區(qū)/用戶堆棧/用戶共享內(nèi)存組成的用戶空間信息

（2）寄存器上下文：即進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng)信息，包括PSW/棧指針/通用寄存器孤钦。

（3）系統(tǒng)級(jí)上下文：由進(jìn)程控制塊（進(jìn)程的狀態(tài)）歧斟、內(nèi)存管理信息（進(jìn)程頁表或段表）和系統(tǒng)核心棧（進(jìn)程內(nèi)核態(tài)運(yùn)行時(shí)的工作區(qū)）等操作系統(tǒng)管理進(jìn)程需要的信息。

用戶級(jí)上下文地址空間和系統(tǒng)級(jí)上下文地址空間一起構(gòu)成了一個(gè)進(jìn)程的整個(gè)存儲(chǔ)器映像偏形。

進(jìn)程的組織方式

把處于同一狀態(tài)的所有進(jìn)程的PCB鏈接在一起的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為進(jìn)程隊(duì)列静袖，有兩種常用的隊(duì)列組織方式：

(1)鏈接方式：即把具有相同狀態(tài)的進(jìn)程的PCB分別通過鏈接指針連接成一個(gè)隊(duì)列，系統(tǒng)為每個(gè)隊(duì)列設(shè)置隊(duì)列標(biāo)志以便標(biāo)識(shí)和識(shí)別隊(duì)列俊扭。這樣勾徽，可以形成就緒隊(duì)列、若干個(gè)阻塞隊(duì)列和空白隊(duì)列等统扳。對(duì)其中的就緒隊(duì)列常按進(jìn)程優(yōu)先級(jí)的高低排列喘帚，把優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程的 PCB 排在隊(duì)列前面。此外咒钟，也可根據(jù)阻塞原因的不同而把處于阻塞狀態(tài)的進(jìn)程的?PCB?排成等待 I/O 操作完成的隊(duì)列和等待分配內(nèi)存的隊(duì)列等吹由。

(2)索引方式：系統(tǒng)根據(jù)所有進(jìn)程的狀態(tài)建立幾張索引表。例如朱嘴，就緒索引表倾鲫、阻塞索引表等，并把各索引表在內(nèi)存的首地址記錄在內(nèi)存的一些專用單元中萍嬉。在每個(gè)索引表的表目中乌昔，記錄具有相應(yīng)狀態(tài)的某個(gè) PCB 在 PCB 表中的地址。

進(jìn)程控制

進(jìn)程控制對(duì)應(yīng)的進(jìn)程隊(duì)列模型

進(jìn)程控制的主要功能是對(duì)系統(tǒng)中的所有進(jìn)程實(shí)施有效的管理壤追，它具有創(chuàng)建新進(jìn)程磕道、撤銷已有進(jìn)程、實(shí)現(xiàn)進(jìn)程狀態(tài)轉(zhuǎn)換等功能行冰。

簡(jiǎn)化理解：進(jìn)程控制就是要實(shí)現(xiàn)進(jìn)程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換溺蕉。

進(jìn)程創(chuàng)建：進(jìn)程列表加一項(xiàng)，申請(qǐng)PCB并初始化悼做，分配唯一進(jìn)程標(biāo)識(shí)符疯特，建立映像，分配資源肛走，移入就緒隊(duì)列

進(jìn)程撤銷：從隊(duì)列中移除漓雅，歸還資源，撤銷標(biāo)識(shí)符，回收PCB邻吞，移除進(jìn)程表項(xiàng)（先要撤銷子進(jìn)程）

進(jìn)程阻塞：保存現(xiàn)場(chǎng)信息庶灿，修改PCB，移入等待隊(duì)列吃衅，轉(zhuǎn)向進(jìn)程調(diào)度程序調(diào)度其它進(jìn)程執(zhí)行

進(jìn)程喚醒：等待隊(duì)列中移出往踢，修改PCB，移入就緒隊(duì)列（該進(jìn)程優(yōu)先級(jí)高于運(yùn)行進(jìn)程徘层，則重新設(shè)置調(diào)度標(biāo)志）

隊(duì)列管理模塊是操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程控制管理的核心模塊峻呕。進(jìn)程與資源調(diào)度圍繞進(jìn)程隊(duì)列展開。

操作系統(tǒng)建立多個(gè)進(jìn)程隊(duì)列趣效，如只有一個(gè)進(jìn)程的運(yùn)行隊(duì)列瘦癌、按照優(yōu)先級(jí)或FCFS排列的就緒隊(duì)列、等待I/O操作完成的隊(duì)列跷敬、等待信號(hào)量的隊(duì)列等讯私。按需組織為先進(jìn)先出隊(duì)列與優(yōu)先隊(duì)列

當(dāng)發(fā)生某個(gè)事件使進(jìn)程狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)，此進(jìn)程退出所在隊(duì)列進(jìn)入另一個(gè)隊(duì)列西傀。

原語：用原語實(shí)現(xiàn)進(jìn)程控制斤寇。原語的特點(diǎn)是執(zhí)行期間不允許中斷，只能一氣呵成拥褂。這種不可中斷的操作即原子操作娘锁。原語采用“關(guān)中斷”指令和“開中斷指令”實(shí)現(xiàn)。關(guān)中斷指令執(zhí)行后饺鹃，外部中斷信號(hào)將被忽略莫秆，直到開中斷執(zhí)行。

進(jìn)程控制會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程狀態(tài)的轉(zhuǎn)換悔详。原語要做的三類事情：

1. 更新PCB中的信息（如修改進(jìn)程狀態(tài)標(biāo)志镊屎、將運(yùn)行環(huán)境保存到PCB、從PCB恢復(fù)運(yùn)行環(huán)境）

? ? ?a. 所有的進(jìn)程原語一定都會(huì)修改進(jìn)程狀態(tài)標(biāo)志

? ? ?b. 剝奪當(dāng)前運(yùn)行進(jìn)程的CPU使用權(quán)必然需要保存其運(yùn)行環(huán)境

? ? ?c. 某進(jìn)程開始運(yùn)行前必然要恢復(fù)其運(yùn)行環(huán)境茄螃。

2. 將PCB插入合適的隊(duì)列

3. 分配/回收資源