OS(二)：进程管理之 进程的基本概念

　　进程是资源分配和独立运行的基本单位。

　　引入进程的目的在于，使多道程序并发执行，提高系统的资源利用率和吞吐量；而引入线程，是为了减少程序在并发时的时空开销，提高系统的并发性，线程相对于进程，大大降低了创建、撤销和切换可执行实体的成本和难度。

1、进程的定义与特征

1.1、定义

　　进程是程序的一次执行；

　　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；

　　进程是程序在数据集合上运行的过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。

　　进程是一个可拥有资源的独立单位；进程是一个可独立调度和分派的基本单位。OS 提供了 创建进程、撤销进程、进程切换等进程操作，因此，进程才能成为一个独立运行的基本单位。

1.2、特征

1.2.1、结构特征

　　为了使程序能独立运行，为每一个程序配置进程控制块，即PCB(Process Control Block)。

 

　　进程实体由 程序段、数据段 和 PCB 三部分构成。

1.1、控制块（PCB，Process Control Block）

　　OS根据PCB来对进程进行控制和管理，进程的创建和撤销都是根据PCB来进行的；

　　存储：程序计数器、进程状态、CPU暂存器、存储器管理、输入输出状态等信息；

　　PCB在新建进程时创建，并常驻内存，是进程实体的一部分，也是该进程的唯一标识。

1.2、数据段

　　在数据区域（data region），存储（全局和静态）变量和进程执行期间使用的动态分配的内存，原始数据；

　　在堆栈（stack region）区域，存储活动过程调用的指令和本地变量，中间数据。

1.3、程序段

　　存放在文本区域（text region），存储处理器执行的代码，二进制格式；程序段可以被多个进程共享。

1.2.2、动态性

　　动态性是进程最基本的特征。

　　进程的实质是进程实体的一次执行过程，表现为：由创建而产生、由调度而执行、由撤销而消亡。

1.2.3、并发性

　　多个进程同时存在于内存中，可以同时运行；进程实体能和其它进程实体并发执行；程序的并发执行，是由PCB控制的。

1.2.4、独立性

　　进程实体是能独立分配资源；进程实体能独立接受调度；进程实体能独立运行；程序的独立执行，也是由PCB控制的。

1.2.5、异步性

　　进程实体按异步方式运行；进程与进程之间相互独立、互不干扰、以不可预知的速度运行。

2、进程的状态

2.1、基本状态

　　进程三种基本状态：就绪（Ready）、执行（Running）、阻塞（Blocked）。

2.1.1、就绪状态

　　进程已分配到除CPU外的所有必要资源后，再获取CPU便可立即执行，此时进程的状态称为就绪状态。

　　将多个就绪状态的进程排成一个队列，此队列被称为就绪队列。

2.2.2、执行状态

　　进程获得CPU，正在执行，此时进程的状态称为执行状态。

2.2.3、阻塞状态

　　正在执行的进程由于发生某种时间而暂时无法继续执行，放弃处理机而处于暂停状态，进程的执行受到阻塞，把这种暂停状态称为阻塞状态。

　　发生阻塞的典型事件：请求I/O、申请缓冲空间、进程同步。

2.2.4、状态转换

  

　　就绪状态的进程，调度程序为之分配处理机，进程执行，进程由就绪状态变为执行状态。

　　执行状态的进程，分配给他的时间片用完而被暂停执行，进程由执行状态变为就绪状态。

　　执行状态的进程，因某些操作使进程执行受阻，无法继续执行，进程由执行状态变为阻塞状态。

2.2、挂起状态

2.2.1、概念

　　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， 则该进程暂不接受调度， 以便用户研究其执行情况或对程序进行修改；

　　此时，我们把这种静止状态称为挂起状态。

2.2.2、挂起的原因

　　终端用户的请求：发现可疑问题，希望进程静止下来

　　父进程请求：父进程希望挂起子进程，以便协调各子进程间的活动

　　负荷调节的需要：负荷较重，挂起不重要的进程

　　操作系统的需要：OS检查资源使用情况，或进行记账

2.2.3、进程状态的转换

 

  

·活动就绪→静止就绪

　　进程处于未被挂起的就绪状态时，称为活动就绪状态，表示为Readya。

　　未被挂起的就绪状态（Readya）--(Suspend原语)-->静止就绪状态（Readys），Readys状态不会被调度

·活动阻塞→静止阻塞

　　进程处于未被挂起的阻塞状态时，称为活动阻塞状态，表示为Blockeda。

　　未被挂起的阻塞状态（Blockeda）--(Suspend原语)-->静止阻塞状态（Blockeds），Blockeds状态不会被调度

·静止就绪→活动就绪

　　静止就绪状态（Readys）--(Active原语)-->活动就绪状态（Readya），Readya状态可以被调度

·静止阻塞→活动阻塞

　　静止阻塞状态（Blockeds）--(Active原语)-->活动阻塞状态（Blockeda），Blockeda状态可以被调度。

2.3、创建和终止状态

2.3.1、创建状态

1.1、进程创建的步骤

　　1、为一个新进程创建PCB，并填写必要的管理信息；

　　2、把该进程转入就绪状态并插入就绪队列之中。

1.2、创建状态的概念

　　新进程被创建时，系统已为其分配了PCB，填写进程标识，此时进程拥有自己的PCB，但进程尚未进入主存（未分配），进程不能被调度执行，当前进程所处的状态为创建状态。

1.3、创建状态的作用

　　保证进程的调度必须在创建工作完成后进行；

　　确保对进程控制块（PCB）操作的完整性；

　　增加了管理的灵活性，OS可以根据系统性能或主存容量的限制推创建状态进程的提交；

2.3.2、终止状态

2.1、进程终止步骤

　　1、OS将该进程标记为终止

　　2、资源释放和回收

2.2、终止状态

　　一个进程正常执行结束、异常执行结束或外界干预使进程被终结，当前进程所处的状态为终止状态。

　　终止状态的进程不能再执行，但会保留一个记录（保存状态码和一些计时统计数据），供其它进程收集；

　　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，该进程被删除。

2.3.3、进程状态转换图

 

3、PCB - 进程控制块

1、PCB

　　OS为每个进程定义了一个数据结构 - PCB(Process Control Block)，即进程控制块，用来描述和控制进程运行的全部信息。

　　PCB是进程的唯一标识，OS根据PCB来对并发执行的进程进行控制和管理。

　　进程控制块的作用：使一个在多道程序环境中不能独立运行的程序，成为一个能独立运行的基本单位。

　　PCB的生命周期：创建新进程时，为其建立PCB，进程结束时回收其PCB，进程消亡。

  

　　PCB常被系统访问，所以常驻内存，OS将所有的PCB组成若干个链表(或队列)，存放在OS专门开辟的PCB区中。

2、PCB中的信息

  

1、进程标识符

　　进程标识符，唯一地标识一个进程。常用 内部标识符 和 外部标识符 两种。

　　内部标识符：进程序号

　　部标识符：创建者提供，用户进程访问该进程时使用

2、处理机状态

　　处理机状态信息由处理机的寄存器中的内容组成。在运行时，许多信息都放在寄存器中。当处理机被中断时，所有这些信息必须保存在PCB中，以便该进程重新执行时，能从断点处继续执行。

3、进程调度信息

3.1、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。

3.2、进程优先级

　　描述进程使用处理机的优先级别的一个整数

3.3、事件

　　进程由执行状态转变为阻塞状态等待发生的事件

3.4、进程调度所需其他信息

　　与进程调度算法相关的信息。

4、进程控制信息

4.1、程序和数据的地址

　　进程的程序和数据所在的内存或外存地址，以便再调度到该进程执行时，从PCB中找到程序和数据。

4.2、进程同步和通信机制

　　实现进程同步和通信是必需的机制。

4.3、资源清单

　　除CPU外，进程所需的全部资源及已分配到该进程的资源清单。

4.4、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、PCB中的组织方式

　　为了方便对PCB加以有效的管理，需要将PCB组织起来，PCB提供了两种组织方式： 链接方式 、 索引方式 。

3.1、链接方式

　　把具有同一状态的PCB，用其中的链接字链接成一个队列。如此便可以形成若干个就绪队列、阻塞队列和空白队列。

  

　　就绪队列按优先级高低排列，优先级高的排在PCB队列的前面。

3.2、索引方式

　　根据进程的建立索引表，将相同状态进程存放在一张表中，如就绪索引表、阻塞索引表等。

 

  

　　将个各索引表在内存的首地址记录在内存中的专用单元中，记录具有相应状态的某个PCB在PCB表中的地址。