進程的引入

由于早期未配置os的系統(tǒng)和單道批處理系統(tǒng)中程序是順序執(zhí)行的，然而這種方式浪費資源、系統(tǒng)資源利用率較低，從而出現了多道批處理系統(tǒng)。內存中可以同時裝入多個程序，使其共享資源、并發(fā)執(zhí)行。為了能使程序并發(fā)執(zhí)行，并且可以對并發(fā)執(zhí)行的程序加以描述和控制，于是引入了“進程”

什么是進程？

進程是程序的一次執(zhí)行；

是一個程序及其數據在處理機上順序執(zhí)行時所發(fā)生的活動；

是具有獨立功能的程序在一個數據集合上運行的過程，是系統(tǒng)進行資源進行分配和調度的一個獨立單位。

進程(又稱為進程實體)由三部分組成：PCB(進程控制塊)、程序段和相關數據段

進程控制塊PCB

• PCB作為進程實體的一部分，記錄操作系統(tǒng)所需的用于描述進程的當前情況以及管理進程運行的全部信息，是操作系統(tǒng)中最重要的記錄型數據結構。我們認為，創(chuàng)建進程就是創(chuàng)建一個PCB，銷毀進程也就是銷毀進程的PCB。它的作用是使一個能在多道程序環(huán)境下不能獨立運行的程序稱為一個能獨立運行的基本單位，一個能與其他進程并發(fā)執(zhí)行的進程。

PCB中主要包含以下四方面的信息：

1.進程標識符：用于唯一的標識某一個進程

2.處理機狀態(tài)(又稱處理機上下文)：主要由處理機的各種寄存器中的內容組成，當進程被切換時，處理機狀態(tài)信息被保存起來以便重新執(zhí)行時可以繼續(xù)執(zhí)行

寄存器主要包括：

通用寄存器：用于暫存信息(大多數處理機有8~32個)

指令計數器：存放將要訪問的下一條指令的地址

程序狀態(tài)字PSW：是運算器的一部分，分兩類：一種是體現當前指令結果如是否有進位、是否為零，另一種是存放控制信息如允許中斷、跟蹤標志等

用戶棧指針：每個用戶進程都有一個或若干個與之相關的系統(tǒng)棧，用于存放過程和系統(tǒng)調用參數及調用地址，棧指針則是指向該棧的棧頂

3.進程調度信息：存儲當前進程的進程狀態(tài)、進程優(yōu)先級、進程調度所需的其他信息(與調度算法有關的信息如進程等待CPU的時間、已執(zhí)行的時間等)和事件(從執(zhí)行狀態(tài)到阻塞狀態(tài)的原因)

4.進程控制信息：用于進程控制的信息，包括：程序和數據的地址、進程同步和通信機制、資源清單和鏈接指針(該進程所在隊列中的下一個PCB的首地址)

PCB的組織方式：

• 在一個系統(tǒng)中常有數百乃至上千個PCB，為了對他們加以有效的管理，應使用適當方式將其組織起來，目前常用的有以下三種方式：

1.線性：所有的PCB都組織在一張線性表中，該表的首地址放在內存的一個專用區(qū)域，每次使用都遍歷整張表，適合進程數目較少的操作系統(tǒng)

2.鏈接：將具有相同狀態(tài)進程的PCB分別通過PCB中的鏈接字鏈接成一個隊列，這樣可以形成就緒隊列、阻塞隊列和空白隊列等

3.索引：即系統(tǒng)根據進程狀態(tài)不同，建立幾張索引表

進程控制

• 進程控制是進程管理中最基本的功能，主要包括創(chuàng)建新進程、終止已完成的進程、將因發(fā)生異常情況而無法繼續(xù)運行的進程置于阻塞狀態(tài)、負責進程運行中的轉換等功能。進程控制一般是由OS內核中的原語來實現的

1.操作系統(tǒng)內核：

OS分為若干層次，通常將一些與硬件緊密相關的模塊（如中斷處理程序等）、各種常用設備的驅動程序以及運行頻率較高的模塊（如時鐘管理、進程調度和許多模塊所公用的一些基本操作），這些都常駐于內存，被稱為OS內核。

• 其目的在于：

1）便于對這些軟件進行保護，防止遭受其他應用程序的破壞

2）提高OS的運行效率

• 相應的，系統(tǒng)為保護OS本身或關鍵數據（如PCB等）免遭破壞，也將處理機的執(zhí)行方式分為兩種狀態(tài)：系統(tǒng)態(tài)和內核態(tài)

1）系統(tǒng)態(tài)：又稱為管態(tài)或內核態(tài)。它具有較高的特權，能執(zhí)行一切命令，訪問所有的寄存器和存儲區(qū)；

2）用戶態(tài)：又稱為目態(tài)。具有較低的執(zhí)行權，只能執(zhí)行一部分命令或訪問一部分寄存器和存儲區(qū)。一般情況下，應用程序都是用戶態(tài)，防止破壞OS

• 不同的OS內核之間都有不同程度的差異，但都具有以下兩大功能：

1）支撐功能：提供給OS其他眾多模塊所需要的一些基本操作以支撐其工作，三中最基本的支撐功能是：中斷處理、時鐘管理和原語操作

2）資源管理功能：包括進程管理、存儲器管理、設備管理

2.進程的創(chuàng)建：

1）進程的層次結構（UNIX中是樹狀層次，Windows下所有進程沒有層次結構）：

OS中允許一個進程創(chuàng)建另一個進程，我們將創(chuàng)建進程的進程叫做父進程，把被創(chuàng)建的進程叫做子進程，子進程還可以創(chuàng)建孫進程，于是就出現了一個進程組。

子進程在被創(chuàng)建后可以繼承父進程所有的資源，例如父進程打開的文件、父繼承所分配到的緩沖區(qū)等。當子進程被撤銷時就將所有從父進程那獲得的資源還回給父進程，然而當父進程被撤銷時，所有子進程也同樣被撤銷，將資源歸還給OS。為表示進程之間的家族關系，PCB中的進程標識符中設置有家族表項。

2）進程圖：

為形象的描述一個進程組而引入進程圖，一個樹結構的圖，根節(jié)點是這個進程家族的祖先

3）引起創(chuàng)建進程的事件：用戶登錄、作業(yè)調度、提供服務、應用請求

4）進程創(chuàng)建：當系統(tǒng)中出現了創(chuàng)建新進程的請求后，OS便調用進程創(chuàng)建原語Creat按以下步驟創(chuàng)建一個新的進程：

①申請空白PCB

②為新進程分配其所需的資源：包括各種物理和邏輯資源，如內存、文件、I/O設備和CPU時間等

③初始化進程控制塊（PCB）：初始化標識信息、處理機狀態(tài)信息和處理機控制信息（進程狀態(tài)和優(yōu)先級等）

④如果進程就緒隊列可以接納新的該進程，就將進程加入隊列

3.進程的終止：

1）引起進程終止的條件：

- 正常結束：任何系統(tǒng)中都有一個表示進程已經運行完成的指示，運行到該指令時，就產生一個中斷通知OS該進程已運行完畢

- 異常結束：指進程運行中出現了無法解決的錯誤導致程序無法繼續(xù)執(zhí)行。產生的原因有：

越界錯、保護錯（權限問題或訪問方式非法）、非法指令、特權指令錯、運行超時、等待超時、算術運算錯、I/O故障

- 外界干預：操作員或操作系統(tǒng)干預、父進程請求、父進程終止

2）進程終止的過程：

- 根據終止進程的進程標識符在PCB集合中檢索出要終止的進程，并查看改進程的狀態(tài)

- 若被終止的進程正在執(zhí)行則立即終止該進程，并置調度標志為真，用于指示該進程被終止后應重新進行調度

- 若該進程有子進程或孫進程則全部終止，以免變成不可控制的進程

- 將被終止進程的資源全部歸還給父進程或操作系統(tǒng)

- 將被終止的進程（PCB）從所在隊列中移除

4.進程的阻塞（block）和喚醒（wakeup）

• 阻塞原語block和喚醒原語wakeup使用時是成對的

1）引起進程阻塞和喚醒的事件

- 向系統(tǒng)請求共享資源失敗

- 等待某種操作的完成

- 新數據尚未到達

- 等待新任務的到達

2）進程阻塞過程

進程在發(fā)生以上情況時變調用阻塞原語（block）將自己阻塞，可見阻塞是一個主動過程。首先將進程狀態(tài)從執(zhí)行改為阻塞狀態(tài)并加入到阻塞隊列；如果系統(tǒng)中設置了原因不同的阻塞隊列，則將該隊列插入相應隊列；最后轉調度程序進行調度，此時分配新的PCB，并按照新的PCB中的處理機狀態(tài)設置CPU環(huán)境

3）進程喚醒過程

當阻塞進程所期待的事件發(fā)生時，則由有關進程（比如提供數據的進程）調用喚醒原語wakeup將該時間喚醒。wakeup的執(zhí)行過程是：將該進程由阻塞隊列移出，將其狀態(tài)改為就緒，再將其加入就緒隊列

5.進程的掛起（suspend）與激活（active）

1）進程的掛起

- 檢查被掛起的進程的狀態(tài)

- 若是活動就緒狀態(tài)，便將其改成靜止就緒；若是活動阻塞狀態(tài)，便將其改成靜止阻塞

- 為方便用戶或父進程考察該進程的運行情況，而把該進程的PCB復制到某指定的內存區(qū)域

- 若被掛起的進程正在執(zhí)行，則轉向調度程序重新調度

2）進程的激活

- 將進程從外存調入內存，檢查該進程的現行狀態(tài)

- 若是靜止就緒，便將其改為活動就緒；若是靜止阻塞，便將其改為靜止就緒

- 假如采用的是搶占調度策略，則每當有靜止就緒進程被激活而加入就緒隊列時，便檢查是否需要重新調度，即由調度程序將被激活的進程和當前進程兩者優(yōu)先級進行比較

- 若被激活進程優(yōu)先級低，則不必重新調度；若當前進程優(yōu)先級低，則把處理機分配給被激活的進程