操作系统学习-3. 进程的基本概念

写在前面：

这一篇博客将学习进程的基本概念。

程序的顺序执行与特征：

为了思维连贯，在介绍进程之前，需要了解程序的顺序执行与并发执行。在未配置OS的系统红，程序是顺序执行的。在多道程序的环境中，允许多个程序并发执行。

程序的顺序执行就是可以将一个程序分成若干程序段，若干程序段按照某种先后次序执行，仅当前一操作执行完后，才能执行后续操作。顺序操作有以下特征：
（1）顺序性：处理机的操作严格按照程序规定的顺序执行。
（2）封闭性：程序是在封闭的环境下执行的，程序运行独占全机资源。
（3）可再现性：只要程序执行时的环境和初始条件相同，程序重复执行时，结果都将一样。

在多道程序运行时，程序可进行并发执行。这里的并发与之前所说OS的并发性是一样的含义。程序的并发执行提高系统吞吐量（单位时间内，系统完成的作业量），但也产生与顺序执行时不同的特征：
（1）间断性：并发执行程序时，由于程序会共享某些系统资源，以及要完成某一任务而相互合作，导致程序之间产生相互制约的关系。导致程序具有“执行-暂停-执行”的间断性活动规律。
（2）失去封闭性：由于一些资源会被多个程序共同占有，导致可能会有多个程序对这些共享资源的状态产生影响。
（3）不可再现性：程序失去封闭性，自然导致失去可再现性。

进程的定义：

（1）进程是程序的一次执行；
（2）进程是一个程序及其数据在处理机上顺序执行时发生的活动；
（3）进程是程序在一个数据集合上运行的过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

进程的特征与状态：

为了解决之前多道程序并发运行时的问题，人们引入了进程的概念。进程是资源分配和独立运行的基本单位。OS的四大特征（此处可参考：操作系统学习-2. 操作系统的基本特性与主要功能）也都基于进程形成的。进程有以下五个特征：
（1）结构特征：为使程序能独立运行，为之配置一进程控制块，PCB(Process Control Block)；由程序段，数据段与PCB三部分构成了进程实体。
（2）动态性：进程的实质是进程实体的一次执行过程，因此动态性是最基本的特性。进程“由创建而生，由调度而行，由撤销而亡”。对比程序，知识一组有序指令的集合，存放在某种介质上。
（3）并发性：多个进程实体同存与内存中，且能在一段时间内同时运行。
（4）独立性：传统OS中，独立性值进程实体是一个独立运行、独立分配资源和独立接受调度的基本单位。
（5）异步性：进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。

进程的三种基本状态：
（1）就绪（Ready）状态：当进程已分配出CPU以外的所有必要资源后，只要再获得CPU，即可立即执行。在一个系统中通常将多个处于就绪状态的进程排成一个队列（FIFO），称之为就绪队列。
（2）执行状态：进程已获得CPU，其程序正在执行。单处理机中只有一个进程处于执行状态；多处理机中有多个。
（3）阻塞状态：正在执行的进程由于发生某事件而暂时无法继续执行时，便放弃处理机而处于暂停状态，即进程的执行受到阻塞。也叫等待状态或封锁状态。导致阻塞的事件由：请求I/O。系统通常也将阻塞状态的进程排成一个队列，也有系统根据阻塞原因的不同将阻塞状态进程排成多个队列。

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图1.进程的三种基本状态及其转换

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进程的挂起状态：

一些系统中新加入了挂起状态，引起挂起状态的原因有：
（1）终端用户的请求。
（2）父进程请求。
（3）负荷调节的需要。
（4）操作系统的需要。
添加挂起状态后，进程状态图转换有如下：

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图2.具有挂起状态的进程状态图

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进程控制块：

PCB（Process Control Block），它是进程实体的一部分，是操作系统中最重要的记录型数据结构。PCB是进程存在的唯一标识。PCB中记录了OS所需的、用于描述进程的当前情况与控制进程运行的全部信息。但系统创建一个新进程时，就为它建立了一个PCB；进程结束时又回收其PCB，进程也随之消亡。PCB常驻内存，可以被OS中多个模块读或者修改。Linux系统中用task_struct数据结构来描述每个进程的进程控制块，Windows中使用一个执行体进程块(EPROCESS)来表示进程对象的基本属性。

进程控制块中的信息：

（1）进程标识符：进程标识符惟一标识一个进程，通常有两种标识符：

• 内部标识符：所有的OS都为每一个进程赋予唯一的一个数字标识符，它通常是一个进程的序号，它方便系统调用。
• 外部标识符：由创建者提供，由字母、数字组成。一般是用户(进程)在访问该进程时使用。

（2）处理机状态：主要由处理机的各种寄存器中的内容组成。处理机被中断时，所有寄存器中的信息都必须保存在PCB中，以便进程重新执行时，能从断电继续执行。这些寄存器包括：

• 通用寄存器：又称用户可视寄存器，用于暂存信息，用户可访问。
• 指令计数器：存放了要访问的下一条指令的地址。
• 程序状态字PSW：其中含有状态信息、如条件码、执行方式、中断屏蔽标志等。
• 用户栈指针：用于存放过程和系统调用参数及调用地址，栈指针指向该栈的栈顶。

（3）进程调度信息：与进程调度和进程对换有关的信息。

• 进程状态：指明进程当前状态，作为进程调度和对换时的依据。
• 进程优先级：用于描述进程使用处理机的优先级别的一个整数，优先级高的进程优先获得处理机。
• 进程调度所需的其他信息，与采用的进程调度算法有关，如进程已等待CPU时间综合、进程已执行时间综合等。
• 时间：阻塞原因，即进程由执行状态转变为阻塞状态所等待发生的事件。

（4）进程控制信息

• 程序和数据的地址:指进程的程序和数据所在的内存或外存地址,以便再调度到该进程执行时,能从PCB中找到程序与数据.
• 进程同步和通信机制:实现进程同步和进程通信时必须的机制,如消息队列指针,信号量等.
• 资源清单,即一张列出除CPU以外的,进程所需的全部资源与已经分配到进程中的资源的清单.
• 链接指针:给出了本进程(PCB)所在队列中的下一个进程的PCB的首地址.

进程控制块的组织方式:

OS常用的PCB组织方式有两种:

• 链接方式:把具有同一状态的PCB,用其中的链接字链接成一个队列.其中的就绪队列常按进程的优先级的高低排序.
• 索引方式:系统根据所有进程的状态建立几张索引表,比如,就绪索引表,阻塞索引表.