进程管理简述
传统操作系统中，程序不能独立运行，作为资源分配和独立运行的基本单位都是 进程 。操作系统的四大特征（并发，共享，虚拟，异步）也都是基于进程形成的。所以，下面记录下关于进程的一些基本概念，信息来源：计算机操作系统（第三版）。
1.1进程的基本概念
程序的并发执行，导致了操作系统中引入了进程的概念。先简述下程序的 顺序执行 和并发执行。
1.1.1 程序的顺序执行及其特征
1.程序的顺序执行
通常可以把一个应用程序分成若干个程序段，在各程序段之间，必须按照某种先后次序顺序执行，仅当 前一操作（程序段）执行后，才能执行后续操作。
例如 ：I 代表输入操作， C代表计算操作 ，P为打印操作。
2.程序书序执行时的特征
（1） 顺序性：处理机的操作严格按照程序所规定的顺序 执行，即 每一操作必须在上一个操作结束之后开始。
（2） 封闭性：程序是在封闭的环境下执行的，即程序运行时独占全机资源，资源的状态（除初始状态外）只有本程序能改变。程序一旦开始执行，其执行结果不受外界因素影响。
（3） 可再现性：只要程序执行时的环境和初始条件相同，当程序重复执行时，不论它是从头到尾不停顿的执行，还是“停停走走”地执行，都将获得相同的结果。
程序顺序执行时的特征，为程序员检测和校正程序的错误带来很大方便。
1.1.2 前趋图
前趋图（Precedence Graph）是一个有向无循环图，记为 DAG（Directed Acyclic Graph）， 用于描述进程之间执行的前后关系。图中的每个结点可用于描述一个程序段或进程，乃至一条语句；结点间的有向边则用于表示两个结点之间存在的偏序（Partial Order,亦称偏序关系）或前驱关系（Precedence Relation）"→"。
→={（Pi ，Pj ）| Pi must complete befor Pj may start }， 如果（Pi ，Pj）∈ →，可写成 Pi →Pj ，称 Pi 是Pj 的直接前驱，而称Pj 是 Pi 的直接后继。在前趋图中，把没有前驱的结点称为初始结点（Initial Node），把没有后继的结点称为终止结点（Final Node）。此外，每个结点还具有一个重量（Weight），用于表示该节点所含有的程序量或节点的执行时间。
1.1.3 程序的并发执行及其特征
程序并发执行的特征：
1）间断性 ；
2）失去封闭性： 当处理机这一资源已被某个程序占有时，另一程序必须等待；
3） 不可再现性：程序在并发执行时，由于失去了封闭性，其计算结果已与并发程序的执行速度有关，从而使程序的执行失去了可再现性，亦即，程序经过多次执行后，虽然它们执行时的环境和初始条件相同，但是得到的结果却各不相同。
1.1.4 进程的特征与状态
1.进程的特征和意义
在多道程序环境下，程序的执行属于并发执行，此时它们将失去封闭性，并具有间断性和不可再现性的特征。这决定了通常的程序是不能参与并发执行的，为了程序能并发，且为了对并发执行的程序加以描述和控制，引进了 进程 的概念。那么进程的特征如下：
1）结构特征
通常的程序是不能并发执行的，为使程序（含数据）能独立运行，应为之配置一进程控制块，即PCB（ProcessControl Block）；而由程序段、相关的数据 和PCB 三部分便构成了 进程实体。
2）动态性
进程的实质是进程实体的一次执行，因此，动态性 是进程的最基本特征 。动态性还表现在：“它由创建而产生，由调度而执行，由撤销而消亡”。
3）并发性
这是指 多个进程实体同存于内存中，且能在一段时间内同时运行。并发性是进程的重要特征，同时也成为OS的重要特征。引入进程的目的也正是为了使其进程实体能和其他进程实体 并发执行；而程序（没有建立PCB）是无法并发执行的。
4）独立性
在传统的OS中，独立性是指进程实体是一个能独立运行、独立分配资源、和独立接受调度的基本单位。但凡建立PCB的程序都不能作为一个独立的单位参与运行。
5）异步性
进程按各自独立的、不可预知的速度向前推进，或者说进程实体按异步方式运行。
进程的定义：
（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时所发生的活动
（3）进程是程序在一个数据集合上运行的过程，他是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
在引入进程实体的概念后，我们可以把传统OS中的进程定义为：“进程是进程实体的运行过程，是系统资源分配和调度的一个独立单位”。
2.进程的三种基本状态
1）就绪（Ready）状态
当进程已分配到除CPU以外的所有必要资源后，只要再获得CPU，便可立即执行，进程这时的状态成为就绪状态。在一个系统中处于就绪状态的进程可能有多个，通常将它们排成一个队列，成为就绪队列。
2）执行状态
进程已获得CPU，其程序正在执行。在单机处理系统中，只有一个进程处于执行状态；在多处理机系统中，则有多个进程处于执行状态。
3）阻塞状态
正在执行的进程由于发生某事件而暂时无法继续执行时，便放弃处理机而处于暂停状态，亦即进程的执行受到阻塞，把这种暂停状态成为阻塞状态，有时也称为等待状态或封锁状态。致使进程阻塞的典型事件有：请求I/O，申请缓冲空间等。
3. 挂起状态
1）引入挂起状态的原因
在不少系统中，进程又有上述三种状态，但在另一些系统中，又增加了一些新状态，最重要的就是挂起状态。引入挂起状态的原因有：
（1）终端用户的请求。 当终端用户在自己的程序运行期间发现有可疑的问题时，希望暂时使自己的程序静止下来。亦即，使正在执行的进程暂停执行；若此时用户进程正处于就绪状态而未执行，则该进程暂时不接受调度，以便于用户研究其执行情况或对程序进行修改。我们把这种静止状态称为 挂起状态 。
（2）父进程的请求。
（3）负荷调节的需要。当实时系统中的工作负荷较重，已可能影响到对实时任务的控制时，系统会把一些不重要的进程挂起，以保证系统能正常运行。
（4）操作系统的需要。操作系统有时希望挂起某些进程，以便检查运行中的资源使用情况或进行记账。
2）进程状态的转换
在引入挂起状态后，又将增加从挂起状态（又称为静止状态）到非挂起状态（又称为活动状态）的转换，或者相反。可能有以下几种情况：
（1）活动就绪→静止就绪。 当进程处于未被挂起的就绪状态时，称此为活动就绪状态，表示为Readya，当用挂起原语Suspend 将该进程挂起后，该进程便转变为静止就绪状态，表示为Readys，处于Readys状态的进程不再被调度执行。
（2）活动阻塞→静止阻塞。 当进程处于未被挂起的阻塞状态时，称它是处于活动阻塞状态，表示为Blockeda。 当用Suspend原语将它挂起后，进程便转变为静止阻塞状态，表示为Blockeds。处于该状态的进程在其所期待的事件出现后，将从静止阻塞变成静止就绪。
（3）静止就绪→活动就绪。 处于Readys状态的进程，若用激活原语Active激活后，该进程的状态转变为Readya。
（4）静止阻塞→活动阻塞。处于Blockeds状态的进程，若干用激活原语Active激活后，该进程状态将转变为Blockeda。
4. 创建状态和终止状态
在目前实际的系统中，为了管理的需要，还存在着两种比较常见的进程状态，即创建状态和终止状态。
1）创建状态
创建一个进程一般需要通过两个步骤：首先，为一个新进程创建PCB（这是啥？ Progress Control Block），并填写必要的管理信息；其次，把该进程转入就绪状态并插入就绪队列之中。当一个新进程被创建时，系统已为其分配了PCB，填写了进程标识等信息，但由于该进程所必须的资源或其他信息，如主存资源尚未分配等，一般而言，此时的进程已拥有了自己的PCB，但进程自身还未进入主存，即创建工作尚未完成，进程还不能被调度运行，其所处的状态就是创建状态。
引入创建状态，是为了保证进程的调度必须在创建工作完成后进行，以确保对进程控制块操作的完整性。同时引入创建状态的引入，也增加了管理的灵活性，操作系统可以根据系统性能或主存容量的限制，推迟创建状态进程的提交。对于处于创建状态的进程，获得了其所必需的资源，以及对其PCB初始化工作完成后，进程状态便可由创建状态转入就绪状态。
2）终止状态
进程的终止需要通过两个步骤：首先等待操作系统进行善后处理，然后将其PCB清零，并将PCB空间返还系统。当一个进程达到了自然结束点，或是出现了无法克服的错误，或是被操作系统所终结，或是被其他有终止权的进程所终结，他将进入终止状态。进入终止状态的进程以后不能再执行，但在操作系统中依然保留了一个记录，其中保存状态码和一些计时统计数据，供其他进程收集。 一旦其他进程完成了对终止状态进程的信息提取后，操作系统将删除该进程。
下图给出了加入创建状态和终止状态后，状态衍变图：
增加了创建状态和终止状态后，具有挂起状态的进程状态及转换图：
1.1.5 进程控制块
1. 进程控制块的作用
为了描述和控制进程的运行，系统为每个进程定义了一个数据结构——进程控制块PCB（Process Control Block），它是进程实体的一部分，是操作系统中最重要的记录型数据结构。PCB中记录了操作系统所需要的、用于描述进程的当前情况下以及控制进程运行的全部信息。
进程控制块的作用是 ：使一个在多道程序环境下不能独立运行的程序（含数据），成为一个能独立运行的基本单位，一个能与其他进程并发执行的过程。或者说，OS是根据PCB来对并发执行的进程进行控制和管理的。 在进程的整个生命周期中，系统总是通过PCB对进程进行控制的，亦即，系统时根据进程的PCB而不是任何别的而感知该进程存在的。所以说，PCB是进程存在的唯一标志。
当系统创建一个新进程时，就为它创建了一个PCB；进程结束时又回收其PCB，进程于是随之消亡。PCB可以被操作系统中的多个模块读或修改，因为PCB经常被系统访问，尤其是被运行频率高的进程及分派程序访问，故PCB应常驻内存。系统将所有的PCB组织成若干个链表（或队列），存放在操作系统中专门开辟的PCB区内。 例如：Linux系统：用task_struct数据结构描述进程控制块；Windows系统：用执行体进程块（EPROCESS）来表示进程对象属性。
2. 进程控制块中的信息
主要包含四方面信息：
1）进程标识符
进程标识符用于唯一地标识一个进程。一个进程通常有两种标识符：
（1）内部标识符。在所有的操作系统中，都为没一个进程赋予了一个唯一的数字标识符，它通常是一个进程的序号。设置内部标识符主要是为了方便系统使用。
（2）外部标识符。它由创建者提供，通常是由字母、数字组成，往往是由用户（进程）在访问该进程时使用，为了描述进程的家族关系，还应该设置父进程标识及子进程标识。还可以设置用户标识，以指示该进程的用户。
2）处理机状态
处理机状态信息主要是由处理机的各种寄存器中的内容组成。处理机在运行时，许多信息都放在寄存器中。当处理机被中断时，所有这些信息都必须保存在PCB中，以便在该进程重新执行时，能从断点继续执行。
这些寄存器包括：① 通用寄存器，又称用户可视寄存器。它们是 用户程序可以访问的，用于暂存信息，在大多数处理机中，有8~32个通用寄存器，在RISC机构的计算机中可超过100个；
②指令计数器，其中存放了要访问的下一条指令的地址。 ③ 程序状态字PSW，其中含有状态信息，如条形码、执行方式、中断屏蔽标志灯； ④用户栈指针，指每个用户进程都有一个或若干个与之相关的系统栈，用于存放过程和系统调用参数以及调用地址，栈指针指向该栈的栈顶。
3）进程调度信息
在PCB中还存放一些与进程调度和进程对换有关的信息，包括： ①进程状态，指明进程的当前状态，作为进程调度和对换时的依据； ② 进程优先级，用于描述进程使用处理机的优先级别的一个整数，优先级高的进程应优先获得处理机； ③进程调度所需的其他信息，它们与所采用的进程调度算法有关，比如进程已等待CPU的时间总和、进程已执行的时间总和等； ④事件，指进程由执行状态转变为阻塞状态所等待的事件，即阻塞原因。
4）进程控制信息
包括：①程序和数据的地址，指进程的程序和数据所在的内存或外存地址，以便再调度到该程序执行时，能从PCB中找到其程序和数据； ② 进程同步和通信机制，指实现进程同步和进程通信时必需的机制，如消息队列指针、信号量等，他们可能全部或部分地放在PCB中； ③ 资源清单，即一张列出了除CPU以外的进程所需的全部资源及已经分配到该进程的资源的清单； ④ 链接指针，给出本进程（PCB）所在队列中的下一个进程的PCB的首地址。
3. 进程控制块的组织方式
在一个系统中，通常可拥有数十个、数百个乃至数千个PCB。为了能对他们加以有效的管理，应该用适当的方式将这些PCB组织起来。目前常用的组织方式有以下两种：
1）链接方式
把具有同一状态的PCB，用其中的链接字 接成一个队列，这样，可以形成就绪队列、若干个阻塞队列和空白队列等。对其中的就绪队列常按进程优先级的高低排序，把优先级高的进程的PCB排在队列前面。此外，也可根据阻塞原因的不同把处于阻塞状态的进程的PCB排成等待I/O 操作完成的队列和等待分配内存的队列等。
2）索引方式
系统根据所有进程的状态建立几张索引表。例如，就绪索引表、阻塞索引表等，并把各索引表在内存的首地址记录在内存的一些专用单元中，在每个索引表中，记录具有相应状态的某个PCB在PCB表中的地址。
没了，这节就到这了。
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