操作系统核心原理-3.进程原理（上）：进程概要

进程管理、内存管理和文件管理是操作系统的三大核心功能，那么什么是进程呢？顾名思义，进程就是进展中的程序，或者说进程是执行中的程序。当一个程序被加载到内存之后就变为了进程。因此，我们可以得到：进程=程序+执行。本篇将会对进程、进程模型、进程状态以及进程的缺陷等进行学习，为后续学习进程调度与进程通信打下坚实基础。

一、进程是什么鬼？

1.1 从工作到进程

　　进程在Multics操作系统出现之前被叫做工作（Job），工作是IBM用于多道批处理程序设计中的概念。由于历史原因，Multics操作系统的研发人员不愿意承用IBM发明的术语，于是将工作改为了进程（Process）。

1.2 实现CPU的多道编程

　　在计算机发展的初期，单一操作员单一控制终端，CPU使用率很低。为了提高CPU利用率，人们想要将多个程序同时加载到计算里并发执行。于是，这些同时存在于计算机内存中的程序就被称为进程。进程的出现，让每个用户感觉到自己在独占CPU。因此，可以说进程就是为了在CPU上实现多道编程而出现的概念，如下图所示。

　　人们发明进程是为了支持多道编程，而进行多道编程的目的则是为了提高计算机CPU的利用率（或者说系统的吞吐量）。例如，如果一个进程有20%的时间使用CPU进行计算，另外80%的时间用来进行I/O，则在单道编程下CPU的利用率只有20%。单如果同时运行两个这样的进程，即使用2道编程，则CPU只在两个进程同时进行I/O时才会处于闲置状态，因此CPU利用率将会提高到：1-0.8*0.8=0.36=>36%。同理，如果同时运行更多的进程，CPU利用率会逐步提高，直到某个临界点为止。（PS：这里的例子忽略了进程切换所需要的系统消耗）

二、进程模型

2.1 三个视角看进程模型

　　（1）物理视角：从物理内存的分配来看，每个进程占用一片内存空间，从这点上看，进程其实就是内存的某片空间。由于在任意时刻，一个CPU只能执行一条指令，因此任意时刻在CPU上执行的进程只有一个，而到底执行哪条指令是由物理程序计数器指定。因此，在物理层面，所有进程共用一个程序计数器，只是CPU在不停地做进程切换。

　　（2）逻辑视角：从逻辑层面来看，每个进程都可以执行，也可以暂时挂起让别的进程执行，之后又可以接着执行。所以，进程需要想办法保持状态才能在下次接着执行时从正确的地点开始。因此，每个进程都有自己的计数器，记录其下一条指令所在的位置。（从逻辑上来说，程序计数器可以有多个）

　　（3）时序视角：从时间来看，每个进程都必须往前推进。在运行一定时间后，进程都应该完成了一定的工作量。换句话说，每次进程返回，它都处在上次返回点之后。哲学家有云：“一个人不能两次踏入同一条河流”。

2.2 进程模型如何实现

　　（1）物理基础：进程的物理基础是程序，程序又运行在计算机上，因此计算机上要运行程序首先要解决进程的存储：给进程分配内存，使其安身立命。由于多个进程可能同时并存，因此需要考虑如何让多个进程共享同一个物理内存而不发生冲突。OS通过内存管理来解决这个问题。

　　（2）进程切换：进程运行实际上是指进程在CPU上执行，那么如何将CPU在多个进程之间进行切换也是一个问题。OS通过进程调度来解决这个问题。所谓进程调度，就是决定在什么时候让什么进程来使用CPU。

三、进程的层次与状态

3.1 进程的层次结构

　　一个进程在执行过程中可以通过系统调用创建新的进程，这个新的进程就称为子进程，而创建子进程的进程则被称为父进程。

　　子进程又可以再创建子进程，于是这样子子孙孙地创建下去就形成了所谓的进程树。

3.2 进程的状态转换

　　基本的进程状态主要有3种：执行、阻塞和就绪，如下图所示：

　　那么，进程被挂起阻塞有哪些原因呢？首先是一个进程在运行过程中执行了某种阻塞操作，例如读写磁盘。（由于阻塞操作需要等待结果后才能继续执行，因此OS将把这个进程挂起，让其他进程运转）其次是一个进程执行的时间太长了，为了公平，OS将其挂起从而让其他进程也有机会执行。

PS：当然，上述阐述的3种典型状态并不是唯一的分类方式，事实上，许多商业OS的进程都不止3个，比如Windows的进程就有7种状态。

四、进程管理概要

4.1 需要的手段

首先看看一个人的出生对一个社会来说意味着什么？在一个人出生后，医院需要为其建立记录，该记录包括诸如姓名、性别、体重、父母信息、何时何地出生等信息，然后会通过该记录来登记户口，办理身份证等等。办完手续之后，这个人就正式存在，称为一个公民。当然，我们得goverment就可以对这个人进行各种管理了，比如你不能乱说话，不能乱游行等等。

　　与一个社会管理人的过程类似，OS要管理进程就需要维护进程的一些信息，OS用于维护进程记录的结构就是进程表或进程控制块（Process Control Block，PCB）。那么进程表里有什么记录呢？一般来说，维护的记录应该包含：寄存器、程序计数器、状态字、栈指针、优先级、进程ID、创建时间、所耗CPU时间、当前持有的各种句柄等等。

4.2 创建的过程

　　一般来说，OS创建进程的步骤如下图所示：

　　在不同的OS中，创建进程的方法也不同，例如Windows中是通过系统调用完成进程创建的，这个系统调用就是CreateProcess。

4.3 处理的问题

　　人类社会最大的问题就是资源分配，进程管理的最大问题也是如此。虽然进程没有自我意识，但我们的本性还是追求公平的。除了公平，还需要考虑：效率。于是，公平与效率就成了进程管理中永恒的主题。

4.4 进程的缺陷

　　假定有两部都很好地岛国爱情动作片，都只放映一次，以后就再也不放映了。而且，这两部片子还是同时放映（狗血剧情啊！），还在两个不同的小房间放映。而你在同一时间只能做一件事情，所以你不得不放弃另外一部。进程亦是如此，这也是进程的缺点，如果想要同时做两件或多件事情，进程就不够用了。并且，如果进程在执行的过程中发生阻塞，例如等待输入，整个进程就将被挂起（暂停），而无法继续执行。这样，即使进程里面有部分工作不依赖于输入数据，也无法推进。

　　因此，为了解决上述两个问题，人们发明了线程。