目錄

• 1 進程概念
• • 1.1 順序執(zhí)行環(huán)境
  • 1.2 并發(fā)執(zhí)行環(huán)境
  • 1.3 進程的定義
• 2 進程狀態(tài)
• 3 進程控制塊PCB
• • 3.1 進程控制塊PCB中的內(nèi)容
  • 3.2 PCB的組織方式
• 4 操作系統(tǒng)調(diào)度
• 5 進程操作
• 6 創(chuàng)建進程
• 7 進程通信：共享存儲
• 8 進程通信：消息傳遞

1 進程概念

操作系統(tǒng)的基本特性是并發(fā)與共享，即在系統(tǒng)中同時存在幾個相互獨立的程序，他們交叉地運行，并共享資源，在這樣的過程中就會出現(xiàn)諸多問題，比如多個程序就要進行資源的競爭，程序之間的合作和協(xié)同，程序之間的通信，要解決這些問題 ， 用程序的概念已經(jīng)不能描述程序在內(nèi)存中運行的狀態(tài) ，必須引入新的概念進程。

1.1 順序執(zhí)行環(huán)境

順序環(huán)境計算機系統(tǒng)只有一個程序在運行，該程序獨占系統(tǒng)中所有資源，其執(zhí)行不受外界影響，下圖是順序執(zhí)行的兩個作業(yè)的執(zhí)行過程圖：

順序執(zhí)行的特征：

• 順序性：按照程序結(jié)構(gòu)所指定的次序（可能有分支或循環(huán)）；
• 封閉性：獨占系統(tǒng)的資源；
• 可再現(xiàn)性：初始條件相同則結(jié)果相同。如：可通過空指令控制時間關(guān)系。

1.2 并發(fā)執(zhí)行環(huán)境

并發(fā)環(huán)境一定時間內(nèi)，物理機器上有兩個或兩個以上的程序同處于開始運行但尚未結(jié)束的狀態(tài)，并且次序不是事先確定的，如下圖所示：

并發(fā)執(zhí)行的特征：

• 間斷(異步)性：“走走停停”，一個程序可能走到中途停下來，失去原有的時序關(guān)系；
• 失去封閉性：共享資源，受其他程序的控制邏輯的影響。如：一個程序?qū)懙酱鎯ζ髦械臄?shù)據(jù)可能被另一個程序修改，失去原有的不變特征；
• 失去可再現(xiàn)性：失去封閉性導(dǎo)致失去可再現(xiàn)性；外界環(huán)境在程序的兩次執(zhí)行期間發(fā)生變化，失去原有的可重復(fù)特征。

例如：觀察者/報告者，有兩個循環(huán)程序A和B，它們共享一個變量N。程序A每執(zhí)行一次時都要做N＝N＋1操作；程序B每執(zhí)行一次時，都要做print(N)操作，然后再將N置成“0”，程序A和B以不同的速度運行。可能出現(xiàn)多報或漏報。（假定某時刻變量N的值為5）

• 程序執(zhí)行為A->B：N=N+1在print(N)和N=0之前，N=6，N=6，N=0；
• 程序執(zhí)行為B->A：N=N+1在print(N)和N=0之后，N=5，N=0，N=1；
• 程序執(zhí)行為B->A->B：N=N+1在print(N)和N=0之間，N=5，N=6，N=0。

因此多道程序設(shè)計對操作系統(tǒng)提出了新的要求：

• 如何描述并發(fā)程序的執(zhí)行：引入進程及其狀態(tài)；
• 如何實現(xiàn)并發(fā)程序運行：進程控制與調(diào)度；
• 如何處理資源的競爭與程序間的合作：并發(fā)控制與通信；
• 如何解決死鎖：死鎖策略。

1.3 進程的定義

為了描述程序在并發(fā)執(zhí)行時對系統(tǒng)資源的共享，我們需要一個描述程序執(zhí)行時動態(tài)特征的概念，這就是進程，一個具有一定獨立功能的程序在一個數(shù)據(jù)集合上的一次動態(tài)執(zhí)行過程，相比程序，程序是一個靜態(tài)的實體，而進程是一個動態(tài)的實體，引入多進程，提高了對硬件資源的利用率，但又帶來額外的空間和時間開銷，增加了操作系統(tǒng)的復(fù)雜性

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一個進程包括如下內(nèi)容：

• 程序代碼(Program code)；
• 當前活動(Current activity)；
• 相關(guān)數(shù)據(jù)(Related data)：棧、堆、數(shù)據(jù)段，棧通常是一些臨時數(shù)據(jù)，如函數(shù)參數(shù)，返回地址，局部變量等，堆通常是程序運行時申請的動態(tài)內(nèi)存，數(shù)據(jù)段通常是全局變量。

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進程和程序的區(qū)別：

• 進程是動態(tài)的，程序是靜態(tài)的：程序是有序代碼的集合；進程是程序的執(zhí)行。通常進程不可在計算機之間遷移；而程序通常對應(yīng)著文件、靜態(tài)和可以復(fù)制；
• 進程是暫時的，程序是永久的：進程是一個狀態(tài)變化的過程，程序可長久保存；
• 進程與程序的組成不同：進程的組成包括程序、數(shù)據(jù)和進程控制塊（即進程狀態(tài)信息）；
• 進程與程序的對應(yīng)關(guān)系：通過多次執(zhí)行，一個程序可對應(yīng)多個進程；通過調(diào)用關(guān)系，一個進程可包括多個程序。

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進程的特征：

• 結(jié)構(gòu)特征：進程實體=程序段+相關(guān)的數(shù)據(jù)段+PCB；
• 動態(tài)性：進程的實質(zhì)是進程實體的一次執(zhí)行過程，因此動態(tài)性是進程的最基本的特征；
• 并發(fā)性：多個進程實體同存在于內(nèi)存中，且能在一段時間內(nèi)同時運行。是最重要的特征；
• 獨立性：指進程實體是一個能獨立運行、獨立分配資源和獨立接受調(diào)度的基本單位；
• 異步性：進程按各自獨立的、不可預(yù)知的速度向前推進。

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進程描述信息：

• 處于某種狀態(tài)（運行、就緒、等待）；
• 進程控制塊PCB（數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）；
• 進程的執(zhí)行程序（一個可執(zhí)行文件）；
• 進程位于某個隊列(就緒、等待某事件隊列)；
• 占用某些系統(tǒng)資（內(nèi)存，打開某些文件、處理機、外設(shè)）。

2 進程狀態(tài)

進程在執(zhí)行時，會不斷地改變其狀態(tài)，進程有以下的狀態(tài)：

• 新建(new)：創(chuàng)建進程，構(gòu)造了進程標識符，創(chuàng)建了 管理進程所需的表格；
• 就緒(ready)：進程等待分配處理器，存在于處理機調(diào)度隊列中的那些進程，它們已經(jīng)準備就緒，一旦得到CPU，就立即可以運行（有多個進程處于此狀態(tài)），如進程所分配的時間片用完后，會用運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為就緒狀態(tài)，等待下一次分配時間片；
• 運行(running)：指令在執(zhí)行，當進程由調(diào)度/分派程序分派后，得到CPU控制權(quán)，它的程序正在運行（在系統(tǒng)中，總只有一個進程處于此狀態(tài)）；
• 等待(waiting)：進程等待某些事件發(fā)生，進程正在等待某個事件的發(fā)生（如等待I/O的完成），而暫停執(zhí)行即使給它CPU時間，它也無法執(zhí)行；
• 終止(terminated)：進程執(zhí)行完畢，終止后進程移入該狀態(tài)，它不再有執(zhí)行資格，表格和其它信息暫時由輔助程序保留，如為處理用戶帳單而累計資源使用情況的帳務(wù)程序，當數(shù)據(jù)不再需要后，進程(和它的表格)被刪除。

各個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下圖所示：

3 進程控制塊PCB

上面說到進程有多種狀態(tài)，但操作系統(tǒng)該如何知曉當前進程的狀態(tài)呢，所以我們要把進程的狀態(tài)保存下來，這里就引入了一種描述進程信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)-進程控制塊PCB(Process Control Block)：

• PCB (Process Control Block)一個專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)用它來記錄進程的外部特征，描述進程的運動變化過程；
• PCB是進程管理和控制的最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在創(chuàng)建進程時，建立PCB，并伴隨進程運行的全過程，直到進程撤消而撤消，跟隨進程的生命周期；
• PCB是系統(tǒng)感知進程存在的唯一標志，進程與PCB是一一對應(yīng)的，有一個進程就會有一個PCB，有一個PCB就會有一個進程；
• PCB經(jīng)常被系統(tǒng)訪問，如，調(diào)度程序、資源分配程序、中斷處理程序等，所以PCB應(yīng)常駐內(nèi)存。

3.1 進程控制塊PCB中的內(nèi)容

進程控制塊PCB保存了同進程有關(guān)的信息，一般有下面這些必要內(nèi)容：

• 進程狀態(tài)(Process state)：說明進程當前所處的狀態(tài)；
• 程序計數(shù)器(Program counter)：指向執(zhí)行程序的下個指令的地址；
• CPU寄存器(CPU registers)：當進程因某種原因不能繼續(xù)占用CPU時（如:等待打印機），釋放CPU，這時就要將CPU的各種狀態(tài)信息保護起來，為將來再次得到處理機恢復(fù)CPU的各種狀態(tài)，繼續(xù)運行；
• CPU調(diào)度信息(CPU scheduling information)：包括CPU優(yōu)先級，調(diào)度隊列指針等；
• 內(nèi)存管理信息(Memory-management information)：包括基址寄存器，界限寄存器以及頁表或段表等；
• 計賬信息(Accounting information)：包括CPU時間，實際使用時間，作業(yè)或進程數(shù)量等；
• I/O狀態(tài)信息(I/O status information)：包括分配給進程的I/O設(shè)備列表，打開文件列表等。
  

3.2 PCB的組織方式

系統(tǒng)把 PCB 組織在一起，并放在內(nèi)存的固定區(qū)域，就構(gòu)成了 PCB 表，PCB 表的個數(shù)決定了系統(tǒng)中最多可同時存在的進程個數(shù)，稱為系統(tǒng)的并發(fā)度，PCB表的組織方式有兩種：

• 鏈接方式：一般通過鏈表的方式；
• 索引方式：建立索引表。

4 操作系統(tǒng)調(diào)度

在操作系統(tǒng)中多個程序并發(fā)的執(zhí)行，但在單CPU機器中只有一個CPU，那么到底由哪一個程序來使用CPU呢，這就是一個調(diào)度問題，進程一般會在下面這些隊列被調(diào)度：

• 作業(yè)隊列：在系統(tǒng)中的所有進程的集合；
• 就緒隊列：在主內(nèi)存中的，就緒并等待執(zhí)行的所有進程的集合；
• 設(shè)備隊列：等待某一I/O設(shè)備的進程隊列。

其實上面所講的進程狀態(tài)的變化，實際上是在這些隊列上不停的遷移，如下圖所示：

下圖是進程調(diào)度的描述圖：

在操作系統(tǒng)的調(diào)度分為不同級別的調(diào)度：

• 長程調(diào)度（或作業(yè)調(diào)度）：選擇可以進入就緒隊列的進程，也可以說是從外存中選擇進入內(nèi)存的調(diào)度過程；
• 短程調(diào)度（或 CPU 調(diào)度）：選擇可被下一個執(zhí)行并分配 CPU；
• 中程調(diào)度：為了緩和內(nèi)存緊張的情況，將內(nèi)存中處于阻塞狀態(tài)的進程換至外存上（ 掛起 ），降低多道程序的度。當這些進程重新具備運行條件時，再從外存上調(diào)入內(nèi)存，如下圖所示：
  

在操作系統(tǒng)中進程可以分為兩類：

• I/O型進程：花費I/O 時間多于計算，許多短CPU處理；
• CPU 型進程：花費更多時間于計算，許多長CPU處理。

可以試想若是調(diào)度選擇的大多數(shù)都是I/O型進程，少數(shù)CPU 型進程，那么各個進程會在CPU上執(zhí)行短暫的時間后轉(zhuǎn)到 I/O 設(shè)備上，此時 I/O 設(shè)備就非常的忙碌，而CPU就相對空閑，反之CPU型的進程過多，也會造成CPU的忙碌，而I/O設(shè)備的空閑，這顯然不是高效的調(diào)度方式

當進程在運行中發(fā)生了中斷，如I/O操作，那么會執(zhí)行CPU的切換。如下圖所示，在切換時要保存當且$PC{B}_0$的信息，然后加入切換的$PC{B}_1$信息，然后運行完成后再恢復(fù)$PC{B}_0$的信息：

上述切換的過程，我們稱為上下文切換，當CPU切換至另一個進程時，系統(tǒng)必須保存舊進程狀態(tài)并為新進程調(diào)入所保留的狀態(tài)，而上下文切換的時間開銷較重；在切換時，系統(tǒng)沒有做有用的工作，時間取決于硬件的支持

5 進程操作

• 進程是有生命周期的：產(chǎn)生、運行、暫停、終止。對進程的這些操作叫進程控制，對進程的操作如下圖所示；
• 進程控制的職責(zé)是對系統(tǒng)中進程實施有效的管理，它是CPU管理的一部分（還有進程同步、通信和調(diào)度）；
• 當系統(tǒng)允許多進程并發(fā)執(zhí)行時，為了實現(xiàn)共享、協(xié)調(diào)并發(fā)進程的關(guān)系，處理機管理必須對進程實行有效的管理。
  

6 創(chuàng)建進程

進程創(chuàng)建的時機有以下幾種：

• 作業(yè)調(diào)度：批處理系統(tǒng)中，作業(yè)調(diào)度程序調(diào)度到某個作業(yè)以后，就把這個作業(yè)裝入內(nèi)存，并分配必要的資源，創(chuàng)建進程，插入就緒隊列；
• 用戶登錄：在分時系統(tǒng)中，用戶在終端鍵入登錄命令后，若是合法用戶，系統(tǒng)建立一個進程，并插入就緒隊列；
• 提供服務(wù)：用戶向系統(tǒng)提出請求后，系統(tǒng)專門建立一個進程為用戶服務(wù)。如打印請求；
• 應(yīng)用請求：應(yīng)用進程的需要，由它自己創(chuàng)建一個新進程，使新進程以并發(fā)運行方式完成特定任務(wù)（輸入數(shù)據(jù)并將處理結(jié)果輸出到表格上）。

一個進程創(chuàng)建之后還可以創(chuàng)建進程，也就是父進程創(chuàng)建子進程，如此輪流創(chuàng)建進程下去，構(gòu)成一個進程樹，典型UNIX系統(tǒng)中的進程樹如下圖所示：

關(guān)于資源共享問題，有如下三種情況：

• 父進程子進程共享所有的資源
• 子進程共享父進程資源的子集
• 父進程和子進程無資源共享

關(guān)于進程執(zhí)行問題，有如下兩種情況：

• 父進程和子進程并發(fā)執(zhí)行
• 父進程等待，直到子進程終止

關(guān)于進程地址空間問題，有如下兩種情況：

• 子女復(fù)制雙親
• 子女有一個程序被調(diào)入

7 進程通信：共享存儲

由生產(chǎn)者-消費者問題討探進程之間是如何共享存儲，生產(chǎn)者-消費者問題是一類問題的抽象，它描述的是一類事物提供另一類事物所需的事物，比如某一個進程提供計算數(shù)據(jù)，另一個進程負責(zé)計算輸出結(jié)果，不提供數(shù)據(jù)就無法進行計算輸出，此時提供計算數(shù)據(jù)的進程就是生產(chǎn)者，負責(zé)計算輸出的進程就是消費者，如下圖所示，這個問題抽象出來的數(shù)據(jù)模型就是共享隊列：

8 進程通信：消息傳遞

消息傳遞是操作系統(tǒng)中的一個機制，能夠使進程之間進行消息傳遞，若P與Q要通信，需要建立通信連接，通過send/receive交換消息，通信鏈路的實現(xiàn)分為兩種，一種是物理上的通過電子線路的實現(xiàn)，另一種是邏輯上的實現(xiàn)，我們主要考慮的是邏輯上的實現(xiàn)連接的建立分為兩種：

• 直接通信：進程必須顯式的命名，如send (P, message)向進程P發(fā)消息，receive(Q, message)從進程Q收消息，這種情況下連接自動建立，連接精確的與一對在通信的進程相關(guān)，在每一對之間就存在一個連接，連接可以無向，但通常是雙向的，這種通信方式的缺點就是收模塊化限制，比如某個時候進程P名字被修改，那么所有代碼都需要修改；

直接通信也有一個特殊的通信方式就是非對稱通信方式(asymmetric communication)，也就是說發(fā)送消息的時候是顯示命名的，但接收消息的時候不指明接收方

• 間接通信：進程雙方不是直接建立連接的，而是通過一個媒介，可以想象成一個信箱或端口，每個信箱都有一個唯一的ID，不管是發(fā)送消息還是接收消息，都是通過這個信箱來完成的，如send(A, message)為向信箱A發(fā)送消息，receive(A, message)為從信箱A接收消息，此時僅當進程共有一個信箱時連接才能建立，連接可同多個進程相關(guān)，每一對進程可共享多個通信連接，連接可是無向或雙向的，但是為了確定發(fā)送者和接受者的唯一性，間接通信允許一個連接最多同2個進程相關(guān)，并且只允許一個時刻有一個進程執(zhí)行接受操作，通過允許系統(tǒng)任意選擇接收者，發(fā)送者被通知誰是接收者，這樣發(fā)送方和接收方就被唯一的確定。

相應(yīng)的對信箱也有對應(yīng)的操作，如創(chuàng)建新的信箱，通過信箱發(fā)送和接收消息，通信結(jié)束后銷毀信箱等

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统原理第三章：进程的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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