【操作系统】进程概述、进程的状态与转换、进程控制、进程通信

1. 进程概述

1. 进程的概念

程序：是静态的，就是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。

同一程序多次执行会对应多个进程。

2. 进程的组成

1）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）。

操作系统要记录PID，进程所属用户ID(UID)。因为这些基本的进程信息描述，可以让操作系统区分各个进程。

还要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。还要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。 这些信息都被保存在一个数据结构PCB（Process Control Block）中，即进程控制块。操作系统需要对各个并发运行的进程进行管理，但凡管理所需要的信息，都会被放在PCB中。

2）程序段、数据段

PCB是给操作系统用的。程序段和数据段是给进程自己用的。

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。进程实体反映了进程在某一时刻的状态（如：x++后，x=2）。

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。

注意：

1. PCB是进程存在的唯一标志。
2. 一个进程被“调度”，就是指操作系统决定让这个进程上CPU运行。

3. 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：

1. 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。（进程最基本的特征）
2. 并发性：内存中有多个进程实体，各进程可并发执行。
3. 独立性：进程的能独立运行、独立获得资源、独立接受调度的基本单位。
4. 异步性：各进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，操作系统要提供“进程同步机制”来解决异步问题。（后面会说解决方案）
5. 结构性：每个进程都会配置一个PCB。结构上看，进程由程序段、数据段、PCB组成。

2. 进程的状态与转换

1. 进程的状态

1）创建态

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 。

2）就绪态

当进程创建完成后，便进“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。

3）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)。

4）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。

5）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。

2. 进程的状态转换

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。

3. 进程的组织

1）链接方式

2）索引方式

3. 进程控制

进程控制的主要功能是对操作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：进程控制就是要实现进程状态转换。

1. 如何实现进程控制

用“原语”实现。

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的情况，这会影响操作系统进行别的管理工作。

比如： 假设此时进程2等待的时间发生，则操作系统中，负责进程控制的内核程序至少要做两件事：1）将PCB2的state设为1。2）将PCB2从阻塞队列放到就绪队列。

如果不能一气呵成，完成了第一步后收到中断信号，那么PCB2的state=1了，但是它却被放在阻塞队列里。

解决方案：

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。 CPU执行了关中断指令之后，就不再例行检查中断信号，直到执行开中断指令之后才会恢复检查这样，关中断、开中断之间的这些指令序列就是不可被中断的，这就实现了“原子性”。

2. 进程控制相关的原语

如何理解将运行环境信息存入PCB，和根据PCB恢复新进程所需的运行环境？ 当某一个程序运行时，产生了一些信息，由于可能当前进程时间片到了，需要下CPU而执行其他的进程，那么可以将一些关键信息比如PSW、PC，通用寄存器的信息保存到当前进程的PCB中，等到下次这个进程重新上CPU运行时，将保存的信息恢复出来，就可以继续往下执行。

技巧：

进程控制会导致状态的转换。无论哪种进程控制原语，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使用权必然要保存其运行状态。c.某进程开始运行前必然要恢复其运行环境。
2. 将PCB插入合适的队列。
3. 分配/回收资源。

4. 进程通信

1. 进程通信

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

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地址空间。

2. 共享存储

为了避免出错，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）。

1）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。

2）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、存放位置都由通信程序控制，而不是操作系统。这种共享方式速度快，是一种高级通信方式。

3. 消息队列

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。

1）直接通信方式

直接通信方式，相当于点名道姓的消息传递。

2）间接通信方式

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

间接通信方式，以“信箱”作为中间实体进行消息传递。

4. 管道通信

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)。

5. 小结