第2章 进程的描述与控制

进程的由来（1⭐）

程序并发执行的特征（解释为何失去了封闭性）

间断性

程序在并发执行时，由于它们共享系统资源，以及为完成同一项任务而相互合作，这些并发执行的程序之间形成了相互制约的关系。
如图所示I、C、P是三个互相合作的程序。当计算程序C_i-1完成计算时，如果输入程序Ii尚未完成数据输入，，则计算程序C_i就无法进行数据处理，此时必须暂停执行。

失去封闭性

系统中存在多个可以并发执行的程序时，系统中的各种资源将为它们所共享，而这些资源的状态也会由这些程序来改变，致使其中任一程序在执行时，其执行环境必然会受到其他程序的影响。

不可再现性

程序并发时，失去封闭性会导致失去可再现性。

例如程序A和B，共享变量N。

// 程序A
N = N +1;
1
2

// 程序B
printf("%d",N);
N = 0;
1
2
3

执行种可能有几种结果

1. A程序在B之前执行

   1. N = n+1

   2. 输出N = n+1

   3. N = 0

2. B在A前

   1. 输出N = n

   2. N = 0

   3. N = 1

3. N+1在printf和N=0之间执行

   1. 输出N = n

   2. N = n+1

   3. N = 0

进程概念的由来

多道程序环境下，程序的执行属于并发执行，因此它们会失去封闭性，并具有间断性和运行结果不可再现性。
通常，程序是不能参与并发执行的，否则程序就失去了意义。
为了使得程序可以并发执行，并且可以对并发执行的程序加以描述和控制，所以人们在OS中引入了“进程”这个概念。

PCB

Process Control Block

系统利用进程控制块来描述进程的基本情况和活动过程，进而控制和管理进程，是进程存在的唯一标识。

进程控制块信息

进程的概念/描述（2⭐）

进程的定义

从不同的角度可以有不同的定义

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所发生的活动。
3. 进程是具有独立功能的程序在一个数据集合上运行的过程，它是系统进行资源分配和调度的一个独立单位（最小单位）。

引入进程的概念后，我们可以把传统OS中的进程定义为：
进程是程序的执行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

进程的特征

进程和程序是不同的概念，除了进程具有程序所没有的PCB结构外，还具有下面一些特征：

动态性（最基本）

进程的实质是程序的执行过程。
进程有一定的生命期：进程由创建产生，由调度而执行，由撤销而消亡。

并发性

多个进程共存于内存中，且能在一段时间内同时执行。
引入进程也正是为了使进程能和其他进程并发执行。
而没有建立PCB的程序是不能参与并发执行的。

独立性

进程是一个能够独立运行、独立获取资源、独立接收调度的基本单位。
没有建立PCB的程序都不能作为一个独立的单位参与并发执行。

异步性

进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。

总结：程序经过多次执行后，虽然多次执行时的环境和初始条件相同，但得到的结果却各不相同。

进程的状态（3⭐）

为什么要引入状态

由于多个进程在并发执行时需要共享资源，它们会在执行过程中呈现间断性规律，因此，进程在其生命周期内可能具有多种状态。

三大基本状态

就绪（Ready）

此时进程已分配到除CPU以外的所有必要资源，只要获得CPU后，便可立即执行。
如果系统中有多个就绪进程，通常它们按照一定的策略*（e.g. 优先级策略）排成队列，则该队列就成为就绪队列*。

执行（Running）

在单处理系统中，只有一个进程处于执行状态。
多处理机系统中，则可能会有多个进程处于执行状态。

阻塞（Block）

由于发生某事件*（e.g. I/O请求、申请缓冲区失败）而暂时无法继续执行，即进程的执行收到了阻塞。
此时会引发进程调度，OS会把处理机分配给另一个就绪进程，而让受阻进程处于暂停状态（又称阻塞状态、等待状态或封锁状态）。
通常系统会将阻塞状态的进程排成一个队列，则该队列就成为阻塞队列*。

在较大的系统中，为了减少阻塞队列的操作开销，提高系统效率，则会设置多个阻塞队列。

创建状态和终止状态

为满足PCB对数据与操作的完整性要求和增强管理灵活性，则通常会引入这两种状态。

创建状态

进程进程一般要通过多个步骤才能完成

1. 进程申请一个空白PCB，并向PCB中填写用于控制和管理进程的信息。
2. 为该进程分配运行时所需的资源。
3. 把该进程状态转换为就绪状态，并将其插入到就绪队列中。

如果进程所需的资源不足，此时进程将不能被调度运行，此时进程所处的状态称为创建状态（新建状态）。

终止状态

1. 等待OS善后处理。
2. 将进程的PCB清零，并将PCB空间返还给OS。

进程进入终止状态后，OS中依然会保留一个记录，保存状态码和一些计时统计数据以供其他进程收集。

进程状态的转换（5⭐）

进程挂起（1⭐）

挂起状态引入的原因

终端用户的需要

终端用户发现自己的程序在运行时有可疑问题，希望暂停程序运行，以便用户研究其执行情况或对其进行修改。

父进程的需要

父进程有时候需要考察和修改子进程，协调各子进程间的活动。

负荷调节的需要

实时系统工作负荷较重时，可能会影响到对实时任务的控制，系统可以将不重要的进程挂起，保证自身的运行正常。

操作系统（OS）的需要

OS有时需要挂起进程，以便检查进程运行过程中资源使用情况或进行记账。

进程挂起状态图（3⭐）

实现进程通信的方式

共享存储器

相互通信的进程通过共享某些数据结构或存储区来进行通信，可分为

1. 共享数据结构方式
   仅适用于传送相对较少的数据，通信效率低下，属于低级进程通信。
2. 共享存储区方式
   属于高级进程通信。

管道（共享文件）

利用共享文件来实现进程间的通信。

消息传递

进程间的消息交换以消息或报文为单位，程序员利用一组通信**命令（原语）**来实现通信，可分为

1. 直接通信方式
2. 间接通信方式

常用原语

1. 创建、撤销原语
2. 阻塞（Block）原语，由执行到阻塞状态。
3. 唤醒（Wake Up）原语，由阻塞到运行状态。

线程

拥有资源所有权的称为进程，而调度的最小单位称为线程，或轻量级进程。

进程是资源独立占有的单位。