操作系统-进程的概念

计算机中，CPU是最宝贵的资源，为了提⾼CPU的利⽤率，引⼊了多道程序设计的概念。当内存中多个程序存在时，如果不对⼈们熟悉的“程序”的概念加以扩充，就⽆法刻画多个程序共同运⾏时系统呈现出的特征。

⼀、进程的引⼊

多道程序系统中，程序具有：并⾏、制约以及动态的特征。程序概念难以便是和反映系统中的情况：

1. 程序是⼀个静态的概念

程序是完成某个功能的指令集和。系统实际上是出于不断变化的状态中，程序不能反映这种动态性。

2. 程序概念不能反映系统中的并⾏特性

例如：两个C语⾔源程序由⼀个编译程序完成编译，若⽤程序概念理解，内存中只有⼀个编译程序运⾏（两个源程序看作编译程序的输⼊数据），但是这样⽆法说明⽩内存中运⾏着两个任务。程序的概念不能表⽰这种并⾏情况，反映不了他们活动的规律和状态变化。就像不能⽤菜谱（程序）代替炒菜（程序执⾏的过程）⼀样（这句话我稍微修改了⼀下，感觉应该是这样表诉才对）

⼆、进程的定义

进程：⼀个具有⼀定独⽴功能的程序关于某个数据集合的⼀次运⾏活动，是系统进⾏资源分配和调度运⾏的基本单位

三、进程与程序的差别

1. 进程是⼀个动态的概念

进程是程序的⼀次执⾏过程，是动态概念程序是⼀组有序的指令集和，是静态概念2. 不同的进程可以执⾏同⼀个程序

区分进程的条件：所执⾏的程序和数据集合。

两个进程即使执⾏在相同的程序上，只要他们运⾏在不同的数据集合上，他们也是两个进程。例如：多个⽤户同时调⽤同⼀个编译程序编译他们编写的C语⾔源程序，由于编译程序运⾏在不同的数据集合（不同的C语⾔源程序）上，于是产⽣了⼀个个不同的进程3. 每个进程都有⾃⼰的⽣命周期

当操作系统要完成某个任务时，它会创建⼀个进程。当进程完成任务之后，系统就会撤销这个进程，收回它所占⽤的资源。从创建到撤销的时间段就是进程的⽣命期4. 进程之间存在并发性

在⼀个系统中，同时会存在多个进程。他们轮流占⽤CPU和各种资源5. 进程间会相互制约

进程是系统中资源分配和运⾏调度的单位，在对资源的共享和竞争中，必然相互制约，影响各⾃向前推进的速度6. 进程可以创建⼦进程，程序不能创建⼦程序

7. 从结构上讲，每个进程都由程序、数据和⼀个进程控制块（Process Control Block, PCB）组成

四、进程的重要特征

1. 动态特征：进程对应于程序的运⾏，动态产⽣、消亡，在其⽣命周期中进程也是动态的、2. 并发特征：任何进程都可以同其他进程⼀起向前推进

3. 独⽴特征：进程是相对完整的调度单位，可以获得CPU，参与并发执⾏4. 交往特征：⼀个进程在执⾏过程中可与其他进程产⽣直接或间接关系

5. 异步特征：每个进程都以相对独⽴、不可预知的速度向前推进6. 结构特征：每个进程都有⼀个PCB作为他的数据结构进程最基本的特征是并发和共享特征

五、进程的状态与转换

1. 进程的三种基本状态

a. 运⾏状态：获得CPU的进程处于此状态，对应的程序在CPU上运⾏着

b. 阻塞状态：为了等待某个外部事件的发⽣（如等待I/O操作的完成，等待另⼀个进程发来消息），暂时⽆法运⾏。也成为等待状态c. 就绪状态：具备了⼀切运⾏需要的条件，由于其他进程占⽤CPU⽽暂时⽆法运⾏

2. 进程状态转换

a. 运⾏状态 ===> 阻塞状态：例如正在运⾏的进程提出I/O请求，由运⾏状态转化为阻塞状态b. 阻塞状态 ===> 就绪状态：例如I/O操作完成之后，由阻塞状态转化为就绪状态

c. 就绪状态 ===> 运⾏状态：例如就绪状态的进程被进程调度程序选中，分配到CPU中运⾏，由就绪状态转化为运⾏状态d. 运⾏状态 ===> 就绪状态：处于运⾏状态的进程的时间⽚⽤完，不得不让出uCPU，由运⾏状态转化为就绪状态

3. 进程的类型

a. 系统进程：操作系统⽤来管理资源的进程，当系统进程处于运⾏态时，CPU处于管态，系统之间的关系由操作系统负责

b. ⽤户进程：操作系统可以独⽴执⾏的的⽤户程序段，当⽤户进程处于运⾏态时，CPU处于⽬态，⽤户进程之间的关系由⽤户负责

六、进程控制块

1. 进程的三个组成部分

a. 程序b. 数据

c. 进程控制块（PCB）：为了管理和控制进程，系统在创建每个进程时，都为其开辟⼀个专⽤的存储区，⽤以记录它在系统中的动态特性。系统根据存储区的信息对进程实施控制管理。进程任务完成后，系统收回该存储区，进程随之消亡，这⼀存储区就是进程控制块

PCB随着进程的创建⽽建⽴，撤销⽽消亡。系统根据PCB感知⼀个进程的存在，PCB是进程存在的唯⼀物理标识（这⼀点可以类⽐作业控制块JCB）

2. 进程控制块的内容

PCB在不同的语⾔中，可能⽤不同的数据结构表⽰。为了系统管理和控制进程⽅便，系统常常将所有进程的PCB存放在内存中系统表格区（这是什么区？不懂，待我仔细查查），并按照进程内部标号由⼩到⼤顺序存放。

整个系统中各进程的的PCB集合可⽤数组表⽰。这时进程内部标号可以与数组元素下标联系。各系统预留的PCB空间往往是固定的，如UNIX系统中规定进程数量不超过50个（这⼀点我有点怀疑）操作系统不同，PCB的格式、⼤⼩及内容也不尽相同。⼀般的，应该包含如下四个信息a. 标识信息：进程名

b. 说明信息：进程状态、程序存放位置

c. 现场信息：通⽤寄存器内存、控制寄存器内存、断点地址d. 管理信息：进程优先数、队列指针

七、进程控制块的组织

系统中，有着许多不同状态的进程，处于阻塞状态的进程阻塞原因各不相同，为了便于调度和管理，常将进程控制块PCB⽤适当的⽅法组织起来

1. 线性结构

把所有不同状态的进程的PCB组织在⼀个表格中。

最简单，适⽤于进程数⽬不多的操作系统，如UNIX系统，缺点是调⽤时，往往需要查询整个PCB表，时间复杂度略⾼

2. 索引结构

分别把具有不同状态的进程PCB组织在同⼀个表中，于是有就绪进程表、运⾏进程表（多机系统中，还有现在的多核系统应该也有吧）以及各种等待事件的阻塞进程表

系统中的⼀些固定单元分别指出各表的起始地址

3. 链式结构

采⽤队列形式时，每个进程的PCB中要增加⼀个链指针表项，指向队列的下⼀个PCB起始地址。为了对这些队列进⾏管理，操作系统要做三件事：

a. 把处于同⼀状态的进程的PCB通过各⾃队列的指针链接在⼀起，形成队列b. 为每⼀个队列设⽴⼀个对头指针，总是指向队⾸的PCB

c. 排在队尾的PCB的队列指针项内容应该是“-1”或者⼀个特殊符号，表⽰这是队尾PCB在单CPU系统中，任何时刻都只有⼀个处于运⾏态的进程

所有处于阻塞队列中的PCB应该根据产⽣阻塞的原因今进⾏排队，每⼀个都称为阻塞队列，⽐如等待磁盘I/O的阻塞队列，等待打印机输出的阻塞队列

⼋、进程控制

1. 原语

要对进程进⾏控制，系统中必须设置⼀个机构，它具有创建进程、撤销进程、进程通信和资源管理等功能，这样的结构称为操作系统的内核（kernel）

内核本⾝不是⼀个进程，⽽是硬件的⾸次延伸，它是加在硬件上的第⼀层软件。内核是通过执⾏各种原语操作来完成各种控制和管理功能的原语（primitive）是机器指令的延伸，⽤若⼲条机器指令构成，⽤以完成特定功能的⼀段程序。为保证操作的正确性，原语在执⾏期间是不可分割的（这点可以类⽐数据库中的事务）

⽤于进程控制的原语有：创建进程原语、撤销进程原语、阻塞进程原语、唤醒进程原语、调度进程原语、改变优先级原语等

2. 创建进程原语

⼀个进程如果需要时，可以创建⼀个新的进程。被建⽴的进程称为⼦进程，建⽴者进程称为⽗进程所有的进程都只能通过⽗进程建⽴，不能⾃⽣⾃灭创建进程原语拱进程调⽤，⽤以建⽴⼦进程

该原语的主要⼯作：为被建⽴的进程简历⼀个进程控制块，填⼊相应的初始值。主要操作过程是先向系统的PCB空间申请分配⼀个空闲的PCB，然后根据⽗进程所提供的参数，将⼦进程的PCB表⽬初始化，最后返回⼀个⼦进程内部名

3. 撤销进程原语

由⽗进程撤销⼦进程的PCB，注意，这⾥会撤销⼀个以该⼦进程为根的进程⼦树，并回收占⽤的全部资源

4. 阻塞原语

在阻塞原语的作⽤下，进程由运⾏状态转化为阻塞状态

5. 唤醒原语

在唤醒原语的作⽤下，进程由阻塞状态转化为就绪状态

6. 改变进程优先级原语

进程的优先级是表⽰进程的重要性以及运⾏的优先性，拱进程调度程序调度进程运⾏时使⽤

为了防⽌⼀些进程因优先级较低，⽽长期得不到运⾏，许多系统采⽤动态优先级，进程的优先级按照⼀些原则变化通常，进程优先级和以下因素有关系：

a. 作业开始时的静态优先数：作业的优先数取决于作业的重要程度、⽤户为作业运⾏时所付出的价格和费⽤⼤⼩、作业的类型等因素b. 进程的类型：⼀般系统进程的优先数⼤于⽤户进程的优先数；I/O型进程的优先数⼤于CPU型进程的优先数。这些都是为了充分发挥系统I/O设备的效能

c. 进程所使⽤的资源量：使⽤CPU的时间越多，优先级越低。对其他资源使⽤的情况也类似的考虑d. 进程在系统中的等待时间：等待时间越长，进程优先级越⾼

各系统处于不同的考虑，有不同的优先数计算公式。这些公式主要来⾃于时间经验