进程的概念和特征

进程的概念

1. 为什么要引入进程？
   在多道程序环境下，允许多个程序并发执行，此时它们将失去封闭性，并具有间断性及不可再现的特征。为此引入进程的概念，以便更好地描述和控制程序的并发执行，实现操作系统的并发性和共享性。
2. 进程控制块（PCB）
   为了使参与并发的程序能独立地运行，必须为之配置一个专门的数据结构，称为进程控制块（Process Control Block， PCB），PCB是进程存在的唯一标志。所谓创建进程，实质就是创建进程映像中的PCB，而撤销进程就是撤销进程的PCB。
3. 进程映像（进程实体）
   由程序段、相关数据段和PCB三部分构成了进程映像，又称进程实体。进程映像是静态的，而进程是动态的。
4. 进程的定义
   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：这里的系统资源指的是处理机、存储器和其他设备服务于某个进程的“时间”，例如把处理机资源理解为处理机的时间片才是准确的。即进程是时间片分配的独立单位，这就决定了进程的动态性和过程性。

进程的特征

1. 动态性（最基本）
   进程是程序的一次执行，具有生命周期。
2. 并发性
   多个进程实体同时存在于内存中，在一段时间内同时运行。
3. 独立性
   进程实体是一个独立运行、独立获取资源和接收调度的基本单位。
4. 异步性
   由于进程的相互制约，使得进程具有执行的间断性，即进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进。
5. 结构性
   每个进程都配置一个PCB对其进行描述。

进程的状态与转换

进程有五种状态，前三种是进程的基本状态：

1. 运行态
   单处理机环境下，每个时刻至多一个进程处于运行态。
2. 就绪态
   进程获得了除处理机外的一切所需资源。
3. 阻塞态（等待态）
   进程等待除处理机外的资源为可用，如等待I/O完成。
4. 创建态
   进程正在被创建。
5. 结束态
   进程结束时必须先转为结束态，然后再释放资源并回收。

注：一个进程从运行态变成阻塞态是主动的行为，而从阻塞态变成就绪态是被动的行为。

进程控制

在操作系统中，把进程控制用的程序段称为原语，原语在执行期间不允许中断，它是一个不可分割的基本单位。

进程的创建

允许一个进程创建另一个进程，此时创建者为父进程，被创建者为子进程，子进程继承父进程所有的资源。
操作系统创建一个新进程的过程如下（创建原语）：

1. 为新进程分配一个唯一的进程标识号，并申请一个空白的PCB（数量有限），若PCB申请失败，则创建失败。
2. 为进程分配资源，如内存空间，若资源不足，则进程处于阻塞态，而不是创建失败。
3. 初始化PCB，包括初始化标志信息、处理机状态信息、处理机控制信息以及进程的优先级。
4. 若就绪队列能够接纳新进程，则把新进程插入就绪队列，等待被调度。

进程的终止

引起进程终止的事件有：

1. 正常结束，表示进程的任务已完成并准备退出。
2. 异常结束，表示进程在运行时发生了异常事件，如存储区越界、保护错、非法指令、I/O故障等。
3. 外界干预，指进程应外界的请求而终止运行，如操作系统干预、父进程请求和父进程终止。

操作系统终止一个新进程的过程如下（撤销原语）：

1. 根据被终止的进程的标识符，检索PCB，从中读出该进程的状态。
2. 若被终止进程处于执行状态，则立即终止该进程，并回收处理机资源。
3. 若该进程还有子进程，则终止其所有子进程。
4. 把该进程的全部资源还给父进程。
5. 把该PCB从队列中删除。

进程的阻塞和唤醒

进程的阻塞

正在执行的进程，由于某些期待的事件未发生，如系统资源请求失败、新数据未传达等，则被阻塞进程自我调用阻塞原语（Block），使自己由运行态变为阻塞态。因此，进程的阻塞是一种自身的主动行为，只有运行态的进程才能转为阻塞态。
阻塞原语的执行过程如下：

1. 找到将要被阻塞进程的标识号对应的PCB。
2. 若该进程为运行态，则保护其现场，将其转为阻塞态，停止运行。
3. 把该PCB插入相应事件的等待队列。

进程的唤醒

当被阻塞进程所期待的事件出现时，由相关进程（如提供数据的进程）调用唤醒原语（Wakeup），将等待该事件的进程唤醒。唤醒原语的执行过程如下：

1. 在该事件的等待队列中找到相应进程的PCB。
2. 将其从等待队列移出，转变为就绪态。
3. 把该PCB插入就绪队列，等待调度程序调度。

需要注意的是，Block原语和Wakeup原语是一对刚好相反的原语，必须成对使用。Block原语由被阻塞进程自我调用实现，Wakeup原语由一个与被唤醒进程合作或被其他相关的进程调用实现的。

进程切换

进程的切换是在内核的支持下实现的，指的是处理机从一个进程的运行转到另一个进程上运行，在这个过程中，进程的运行环境产生了实质性变化。进程的切换过程如下：

1. 保存处理机上下文，包括程序计数器和其他寄存器。
2. 更新PCB信息。
3. 把进程的PCB移入相应的队列，如就绪、在某事件阻塞等队列。
4. 选择另一个进程执行，并更新其PCB。
5. 更新内存管理的数据结构
6. 恢复处理机上下文。

需要注意的是，进程切换和处理机模式切换是不一样的，模式切换时，处理机逻辑上可能还在同一进程中运行，如进程因中断或异常进入核心态，执行完后又回到用户态，则操作系统只需要恢复保存的CPU现场，无需改变进程的环境信息；但若要切换进程，则当前进程改变了，当前进程的环境信息也要改变。 “调度”和“切换”的区别：调度指的是决定资源分配给哪个进程的行为，是一种决策行为；切换是指实际分配的行为，是执行行为，一般来说，先有资源的调度，然后才有进程的切换。

进程的组织

进程是一个独立的运行单位，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位，一般由以下三部分组成。

1. 进程控制块
   PCB是进程实体的一部分，是进程存在的唯一标志。PCB常用的组织方式有链接方式和索引方式两种，链接方式把同一状态的PCB链接成一个队列；索引方式把同一状态的进程组织在一个索引表中，索引表的表项指向相应的PCB。PCB主要包括进程描述信息、进程控制和管理信息、资源分配清单和处理机相关信息。

• 进程描述信息：进程标识符（PID）、用户标识符（UID）
• 进程控制和管理信息：进程当前状态、进程优先级等
• 资源分配清单：内存地址空间、虚拟地址空间、I/O设备信息等
• 处理机相关信息：各类寄存器值、状态字

2. 程序段
   注意程序可被多个进程共享，即多个进程可以运行同一个程序。
3. 数据段
   可以是程序加工的原始数据，也可以是程序执行时产生的中间或最终结果。

进程的通信

1. 共享存储
   在通信的进程之间存在一块可以直接访问的共享空间，通过对这片共享空间进行读/写操作实现进程间的信息交换。对共享空间进行读/写时需要使用同步互斥工具，以实现对空间的操作进行控制。共享存储分为两种：低级方式是基于数据结构的共享；高级方式是基于存储区的共享。
2. 消息传递
   在消息传递系统中，数据交换是以格式化的消息（Message）为单位的。进程通过系统提供的发送消息和接收消息两个原语进行数据交换。消息传递又有两种方式：直接通信方式使用消息缓冲队列；间接通信方式使用中间实体（也称信箱），这种方式也广泛应用于电子邮件系统。
3. 管道通信
   管道机制需要提供以下三方面的协调能力：互斥、同步、确定对方的存在。实际上管道是一个固定大小的缓冲区，从管道读取数据是一次性操作，数据一旦被读取就会被销毁，释放空间以便写入新的数据，因此管道只能采用半双工通信。如果需要全双工通信必须定义两个管道。

管道可以理解为共享存储的优化。因为在共享存储时，若进程需要访问共享空间，必须没有其他进程在该共享空间进行写操作，否则就会被阻塞。而管道通信的缓冲区只允许一边写入、另一边读出，不必担心会因为其他进程在其中进行写操作而遭到阻塞，因为写进程会先把缓冲区写满，才让读进程读。