操作系统学习笔记-3：进程
1. 关于进程
1.1 进程：
为了方便操作系统管理，对并发执行的各个程序加以控制和描述，引入了进程的概念。
1.2 PCB：
定义：
之前的单道批处理系统，程序是串行执行的，内存中可能只需要记录单一程序的程度段和数据段即可；但是现在使用的是多道批处理系统，多个程序并发执行，内存中就可能存在多个程序自己的程序段和数据段，那么这时候就需要一个管理单元对这些东西加以区分、描述和管理，所以就额外多了一个进程控制块，也就是 PCB。
系统会为每一个运行的程序分配 PCB 这么一个数据结构，用以描述进程的各种信息。PCB 是进程存在的唯一标志，进程与 PCB 是一一对应的的。
PCB 记录了关于进程的信息，这些信息包括：
- 进程状态：进程标识符、进程当前的状态
- 程序计数器：指向执行程序的下个指令地址
- CPU 寄存器：提供现场保护，记录 CPU 的各种状态信息，方便将来的恢复
- CPU 调度信息：包括 CPU 优先级、调度队列指针等
- 内存管理信息：基址寄存器、界限寄存器等
- 记账信息：CPU 时间、使用时长、进程数量等
- I/O 状态信息：分配给进程的 I/O 设备列表，打开文件列表等
- 通信信息：记录进程与进程之间通信的通信
1.3 进程实体：
程序段（程序代码）、数据段（变量、常量等），PCB（相关的管理信息） 共同构成了进程实体（进程映像）。一般认为 进程实体 === 进程 === PCB
PS：下文提到的多个进程的组织方式，也可以说就是多个 PCB 的组织方式
1.4 进程与程序的对比：
- 进程是动态的（程序的执行），程序是静态的（有序代码的集合）
- 进程是暂时的，程序是永久的
- 进程和程序的组成不同
- 通过多次执行，一个程序可以对应多个进程；通过调用关系，一个进程可以包括多个程序
2. 进程的组成和组织
2.1 单个进程的组成
- 进程描述信息：进程标识符PID（区分不同进程）用户标识符 UID（区分不同用户）
- 进程控制和管理信息：进程当前状态、进程优先级
- 资源分配清单：程序段指针、数据段指针、键鼠
- 处理机相关信息：各种寄存器的值
2.2 多个进程的组织方式
- 链接方式： 按照进程状态将 PCB 分为多个队列，OS 持有指向各个队列的指针（执行指针、就绪队列指针、阻塞队列指针）
- 索引方式：按照进程状态建立几张索引表，OS 持有指向各个索引表的指针（执行指针、就绪表指针、阻塞表指针）
3. 进程的特征
- 动态性：进程是程序的一次执行过程，是动态地产生、变化和消亡的
- 并发性：内存中有多个进程实体，各个进程可以并发执行
- 独立性：进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位
- 异步性：各个进程以独立的、不可预知的速度推进
- 结构性：每个进程都有一个自己的 PCB，进程由程度段、数据段、PCB 构成
4. 进程的状态/生命周期
4.1 五种基本状态：
创建态：为进程分配资源，初始化 PCB
运行态：占有 CPU 使用权，在 CPU 上运行（对于单核处理器，一个时刻只会有一个进程）
就绪态：万事俱备（运行需要的条件都有了），只欠东风（只等 CPU 空闲下来，好让自己在上面运行）
阻塞态（等待态）：进程进行系统调用，或者等待事件发生时，进入阻塞态
终止态（结束态）：回收为进程分配的资源，撤销 PCB
4.2 进程状态的转换：
4.3 引入挂起操作后
（1）挂起：
前面所说的状态转换，是建立在内存资源够用的情况下 —— 当系统资源尤其是内存资源不够时，就需要将一些进程挂起（suspend），对换到外存中。
（2）原因：
引起进程挂起的原因是多样的，主要有：
- 系统中的进程均处于阻塞态，处理器空闲，此时需要把一些阻塞进程对换出去，以腾出足够的内存装入就绪进程运行。
- 进程竞争资源，导致系统资源不足，负荷过重，此时需要挂起部分进程以调整系统负荷，保证系统的实时性或让系统正常运行。
- 把一些定期执行的进程（如审计程序、监控程序、记账程序）对换出去，以减轻系统负荷。
- 用户要求挂起自己的进程，以便根据中间执行情况和中间结果进行某些调试、检查和改正。
- 父进程要求挂起自己的后代进程，以进行某些检查和改正。
- 操作系统需要挂起某些进程，检查运行中资源使用情况，以改善系统性能；或当系统出现故障或某些功能受到破坏时，需要挂起某些进程以排除故障。
（3）状态转换
引入挂起操作后，在原来五种状态的基础上多了两个状态：就绪态变成了活动就绪态，且多了一个“静止就绪态/挂起就绪态“；原来的阻塞态变成了活动阻塞态，且多了一个“静止阻塞态/挂起阻塞态“。
状态 | 解释 |
|---|---|
活动就绪态 → 静止就绪态 | 操作系统根据当前资源状况和性能要求，可能会把活动就绪态对换出去，成为静止就绪态。处于静止就绪态的进程不再被调度执行； |
静止就绪态 → 活动就绪态 | 内存中没有进程处于活动就绪态，或者处于静止就绪态的进程具有更高的优先级，那么静止就绪态就会被对换回来，此时才可能被调度执行 |
活动阻塞态→ 静止阻塞态 | 操作系统根据当前资源状况和性能要求，可能会把活动阻塞态对换出去，成为静止阻塞态。 |
静止阻塞态→ 静止就绪态 | 常见的情况是，引起进程等待的事件发生之后，相应的静止阻塞态进程将转换为静止就绪态 |
静止阻塞态→ 活动阻塞态 | 但有时候，如果静止阻塞态进程的优先级高于静止就绪队列中的任何进程、并且系统有把握它等待的事件即将完成，那么就会激活为活动阻塞态 |
运行态→ 静止就绪态 | 优先级较高的静止阻塞态在等待的事件完成后，可能会抢占 CPU，若此时资源不够，则可能导致正在运行的进程挂起为静止就绪态 |
创建态→ 静止就绪态 | 操作系统根据当前资源状况和性能要求，可能会在进程创建完就把它对换到外存 |
PS：进程一旦被挂起，就意味着它被对换到了外存中，此时该进程无法再被 CPU 直接调度，除非它被对换回内存中，回到活动就绪态。比如静止就绪态、静止阻塞态，最后要得到 CPU 的调度，都必须经历回归到活动就绪态的过程。
参考：