【操作系统】进程管理（一）—— 进程

一、进程的概念、组成、特征

程序：是静态的，就是个存放在磁盘里的可执行文件，如：QQ.exe。

进程：是动态的，是程序的一次执行过程，如：可同时启动多次QQ程序。

同一个程序多次执行会对应多个进程。

程序是如何运行的？

一条高级语言的代码翻译过来可能会对应多条机器指令。

程序运行的过程其实就是CPU执行一条一条的机器指令的过程。

一个进程实体（进程映像）由PCB、程序段、数据段组成。

进程是动态的，进程实体（进程映像）是静态的。
进程实体反应了进程在某一时刻的状态（如：x++后，x=2）

进程的组成

程序段、数据段、PCB三部分组成了进程实体（进程映像）。引入进程实体的概念后，可把进程定义为：
进程是进程实体的运行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

PCB 是给操作系统用的。程序段、数据段是给进程自己用的。

同时挂三个QQ号，会对应三个QQ进程，它们的PCB、数据段各不相同，但程序段的内容都是相同的（都是运行着相同的QQ程序）。

进程的组成——PCB

当进程被创建时，操作系统会为该进程分配一个唯一的、不重复的“身份证号”—— PID（Process ID，进程ID）。PCB是进程存在的一标志，当进程被创建时，操作系统为其创建PCB，当进程结束时，会回收其PCB。

PCB （Process Control Block）中，即进程控制块的功能：

• 操作系统要记录PID、进程所属用户ID（UID） 【基本的进程描述信息，可以让操作系统区分各个进程】
• 记录给进程分配了哪些资源（如：分配了多少内存、正在使用哪些I/O设备、正在使用哪些文件） 【可用于实现操作系统对资源的管理】
• 记录进程的运行情况（如：CPU使用时间、磁盘使用情况、网络流量使用情况等）【可用于实现操作系统对进程的控制、调度】

操作系统需要对各个并发运行的进程进行管理，但凡管理时所需要的信息，都会被放在PCB中基本的进程描述信息，可以让操作系统区分各个进程 可用于实现操作系统对资源的管理。

进程的特征

程序是静态的，进程是动态的，相比于程序，进程拥有以下特征：

二、进程的状态与转换

进程的状态——创建态、就绪态

进程正在被创建时，它的状态是“创建态”，在这个阶段操作系统会为进程分配资源、初始化PCB。

当进程创建完成后，便进入“就绪态”，处于就绪态的进程已经具备运行条件，但由于没有空闲CPU，就暂时不能运行。

进程的状态——运行态

如果一个进程此时在CPU上运行，那么这个进程
处于“运行态”。CPU会执行该进程对应的程序（执行指令序列）。

进程的状态——阻塞态

在进程运行的过程中，可能会请求等待某个事件的发生（如等待某种系统资源的分配，或者等待其他进程的响应）。
在这个事件发生之前，进程无法继续往下执行，此时操作系统会让这个进程下CPU，并让它进入“阻塞态” 当CPU空闲时，又会选择另一个“就绪态”进程上CPU运行

进程的状态——终止态

一个进程可以执行 exit 系统调用，请求操作系统终止该进程。
此时该进程会进入“终止态”，操作系统会让该进程下CPU，并回收内存空间等资源，最后还要回收该进程的PCB。
当终止进程的工作完成之后，这个进程就彻底消失了。

进程状态的转换

进程PCB中，会有一个变量 state 来表示进程的当前状态。如：1表示创建态、2表示就绪态、3表示运行态…
为了对同一个状态下的各个进程进行统一的管理，操作系统会将各个进程的PCB组织起来。

三、进程的组织

进程的组织——链接方式

进程的组织——索引方式

总结

四、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，它具有创建新进程、撤销已有进程、实现
进程状态转换等功能。

简化理解：反正进程控制就是要实现进程状态转换

如何实现进程控制？

用“原语”实现；原语的执行具有“原子性”，一气呵成。如果不能“一气呵成”，就有可能导致操作系统中的某些关键数据结构信息不统一的情况，这会影响操作系统进行别的管理工作。

原语的执行具有原子性，即执行过程只能一气呵成，期间不允许被中断。可以用 “关中断指令”和“开中断指令”这两个特权指令实现原子性

正常情况：CPU每执行完一条指令都会例行检查是否有中断信号需要处理，如果有，则暂停运行当前这段程序，转而执行相应的中断处理程序。

进程控制相关的原语

总结

学习技巧：进程控制会导致进程状态的转换。无论哪个进程控制原语，要做的无非三类事情：

1. 更新PCB中的信息
   a. 所有的进程控制原语一定都会修改进程状态标志
   b. 剥夺当前运行进程的CPU使用权必然需要保存其运行环境
   c. 某进程开始运行前必然要恢复期运行环境
2. 将PCB插入合适的队列
3. 分配/回收资源

五、进程通信(IPC)

进程间通信（Inter-Process Communication， IPC）是指两个进程之间产生数据交互。

进程是分配系统资源的单位（包括内存地址空间），因此各进程拥有的内存地址空间相互独立。为了保证安全，一个进程不能直接访问另一个进程的地址空间。

为避免出错，各个进程对共享空间的访问应该是互斥的。各个进程可使用操作系统内核提供的同步互斥工具（如P、V操作）。

进程通信——共享存储

基于数据结构的共享：比如共享空间里只能放一个长度为10的数组。这种共享方式速度慢、限制多，是一种低级通信方式。

基于存储区的共享：操作系统在内存中划出一块共享存储区，数据的形式、存放位置都由通信进程控制，而不是操作系统。这种共享方式速度很快，是一种高级通信方式。

进程通信——消息传递

进程间的数据交换以格式化的消息（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。

消息传递（直接通信方式）

消息传递（间接通信方式）

间接通信方式，以“信箱”作为中间实体进行消息传递。

可以多个进程往同一个信箱send消息，也可以多个进程从同一个信箱中receive消息。

进程通信——管道通信

“管道”是一个特殊的共享文 件，又名pipe文件。其实就是在内存中开辟一个大小固定的内存缓冲区。

1. 管道只能采用半双工通信，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
   两个管道。
2. 各进程要互斥地访问管道（由操作系统实现）
3. 当管道写满时，写进程将阻塞，直到读进程将管道中的数据取走，即可唤醒写进程。
4. 当管道读空时，读进程将阻塞，直到写进程往管道中写入数据，即可唤醒读进程。
5. 管道中的数据一旦被读出，就彻底消失。因此，当多个进程读同一个管道时，可能会错乱。对此，通常
   有两种解决方案：①一个管道允许多个写进程，一个读进程（2014年408真题高教社官方答案）；②允许有多个写进程，多个读进程，但系统会让各个读进程轮流从管道中读数据（Linux 的方案）。

写进程往管道写数据，即便管道没被写满，只要管道没空，读进程就可以从管道读数据。
读进程从管道读数据，即便管道没被读空，只要管道没满，写进程就可以往管道写数据。