8-进程的状态，控制与通信
进程的状态和转换
进程是程序的一次执行。在这个执行过程中，有时进程正在被CPU处理，有时需要等待CPU服务，显然进程的状态是在不断变化的。为了方便对各个进程的管理，操作系统将进程合理的划分为几种状态
进程的三种基本状态
运行态 Running
占有CPU，并在CPU上运行。
单核处理器下，同一时刻最多只有一个进程处于运行态，双核环境下可以有两个进程处于运行态
就绪态 Ready
已经具备运行条件，但由于没有空闲CPU，而暂时不能运行
注意这里所说的具备运行条件是指进程已经拥有了除CPU以外的所有需要的资源，包括所需要的设备的控制权限，缺少的只有CPU的控制权
阻塞态 Waiting/Blocked
又称等待态，因等待某一事件而暂时不能运行
例如，等待操作系统分配打印机的控制权限，读取磁盘操作的请求等。CPU是计算机中最昂贵的不见，为了提高CPU利用率，需要先将其他进程所需资源分配到位，才能得到CPU服务
进程的另外两种状态
创建态 New
也称新建态，进程正在被创建，操作系统为进程分配资源，初始化PCB的阶段
终止态 Terminated
进程正在从系统中撤销，操作系统回收进程拥有的资源，撤销PCB
可能是由于进程运行结束，也可能是由于bug导致进程无法继续执行（例如数组越界或数学错误）
进程状态的转换
进程控制
进程控制的主要功能是对系统中的所有进程实施有效的管理，它具有创建新线程，撤销已有线程，实现线程状态转换等功能
简言之，进程控制就是要实现进程各个状态之间的转换
如何实现进程控制
原语
原语的特点是执行期间不允许中断，只能一次全部执行完成。这种不可中断的操作也称原子操作。
原语采用“关中断指令”和“开中断指令”实现。代码执行前执行关中断指令，所有代码执行结束后执行开中断指令，在此期间，外部的中断信号会被忽略，待开中断指令执行后，再开始处理传来的外部中断信号，由此保证了原语的执行特点
显而易见，关中断/开中断指令的权限十分大，二者都是只允许在核心态下执行的特权指令
原语可能进行的三类事情
- 更新PCB中的信息（例如修改进程状态标志，将运行环境保存到PCB，从PCB恢复运行环境）
- 所有进程控制原语一定会修改进程状态标志（因为所有进程控制原语一定修改进程状态）
- 剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保存其运行环境（为后续该进程重新进入运行态，恢复运行环境准备）
- 某进程开始运行前必然要恢复运行环境（利用之前保存在PCB中的环境）
- 将PCB插入合适的队列（进程组织）
- 分配/回收资源
进程的创建
无->创建态->就绪态
创建原语
- 申请空白PCB
- 为新进程分配所需资源
- 初始化PCB
- 将PCB插入就绪队列
引起进程创建的事件
- 用户登录：分时系统中，用户登陆成功，系统为其建立一个新进程
- 作业调度：多道批处理系统中，有新作业放入内存，会为其创建新进程
- 提供服务：用户向操作系统提出某些请求，会新建进程处理该请求
- 应用请求：用户主动请求创建一个子进程
进程的终止
就绪态/阻塞态/运行态->终止态->无
撤销原语
- 从PCB集合中找到所有终止进程的PCB
- 若进程正在运行，立即剥夺CPU，将CPU分配给其他进程
- 终止其所有子进程
- 将该进程拥有的所有资源归还给父进程或操作系统
- 删除PCB
引起进程终止的事件
- 正常结束
- 异常结束（例如进程执行中出现bug）
- 外界干预（例如进程执行中手动通过任务管理器直接关闭进程）
进程的阻塞和唤醒
阻塞原语 运行态->阻塞态
- 找到要阻塞的进程对应的PCB
- 保护进程运行环境，将PCB状态信息设置为阻塞态，暂停进程运行
- 将PCB插入相应事件的等待队列
引起阻塞的事件
- 需要等待分配某种资源
- 需要等待相互合作的其他进程完成工作
唤醒原语 阻塞态->就绪态
- 在等待事件队列中找到PCB
- 将PCB从等待队列移除，设置进程为就绪态
- 将PCB插入就绪队列，等待被调度
引起进程唤醒的事件
- 等待的事件发生
阻塞原语和唤醒原语必须成对出现
进程的切换
运行态->阻塞态/就绪态
就绪态->运行态
切换原语
- 将运行环境信息保存在PCB中
- PCB移入相应队列
- 选择另一个进程执行，并更新其PCB
- 根据PCB恢复新进程所需的运行环境
引起进程切换的事件
- 当前进程的时间片结束
- 有更高优先级的进程到达
- 当前进程主动阻塞
- 当前进程终止
进程通信
进程通信指进程之间的信息交换
进程是系统分配资源的单位（包括内存地址空间），因此各个进程拥有的内存地址空间相互独立，为了保证系统安全，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间。
但是有时进程之间的信息交换又是必须实现的，为了保证进程间的安全通信，操作系统提供了多种方法进行进程间的通信
- 共享存储
- 消息传递
- 管道通信
共享存储
两个进程都不能直接访问对方的地址空间，所以两个进程在内存中开辟出一块共享空间用于通信。
两个进程对共享空间的访问必须是互斥的，即A在访问共享空间时，B不可以访问（互斥访问通过操作系统提供的工具实现，即同步互斥工具，如P,V操作）
共享存储又分为以下两种
基于数据结构的共享
共享空间里只能存放提前规定好的某种数据结构（例如长度为10的数组），这种方式共享的速度慢，对共享数据的限制多，是一种低级通信的方式
基于存储区的共享
在内存中画出一块共享存储区。数据的形式，存放位置由进程控制，而不再是操作系统，相较于前一种速度更快，是一种高速通信方式
管道通信
管道是指用于连续读写进程的一个共享文件，又名pipe文件，其实就是在内存中开辟一个固定大小的缓冲区
注意
- 管道只能采用半双工通信，即某一时间段内只能实现单向的传输，如果要实现双向同时通信，则需要设置两根管道
- 各进程仍然需要互斥的访问管道
- 写进程将数据以字符流的形式写入管道，管道写满后，写进程的write系统调用将被阻塞，等待读进程读取所有数据，当读进程读取所有数据后，管道变空，此时读进程的read系统调用将被阻塞
- 如果管道没写满，就不允许读，如果管道没读空，就不允许写
- 数据一旦被读出，就从管道中被抛弃，没有备份，这就意味着读进程最多只能有一个，防止读错数据的情况发生
消息传递
进程间的数据交换以格式化的信息（Message）为单位。进程通过操作系统提供的“发送消息/接收消息”两个原语进行数据交换
直接通信方式
A进程通过发送原语向B进程发送消息，B进程利用接收原语接收信息，并将消息挂到本进程的消息缓冲队列上，逐个读取消息缓冲队列的消息
间接通信方式
消息不直接在两个进程间传递，而是首先由发送方通过发送原语发送到中间实体（信箱）中，然后接收方利用接收原语找到信箱中发给自己的信息。所以该种通信方式也称“信箱通信方式”