进程和程序（Process and Program）

原出处：http://oss.org.cn/kernel-book/ch04/4.1.htm

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程序：存放在硬盘中的文件，指令集+数据。被组织成：正文段（指令集） + 用户数据段（数据）

进程：程序加载到内存中，分配内存空间，存放正文段（指令集） + 用户数据段（栈 + 堆） + 系统数据段（PCB等系统用到的数据结构）

 

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首先我们对进程作一明确定义：所谓进程是由正文段（text）、用户数据段（user segment）以及系统数据段（system　segment）共同组成的一个执行环境。

      图4.1 程序及进程的组成
 程序只是一个普通文件，是一个机器代码指令和数据的集合，这些指令和数据存储在磁盘上的一个可执行映象（Executable Image）中，所以，程序是一个静态的实体。这里，对可执行映象做进一步解释，可执行映象就是一个可执行文件的内容，例如，你编写了一个C源程序，最终这个源程序要经过编译、连接成为一个可执行文件后才能运行。源程序中你要定义许多变量，在可执行文件中，这些变量就组成了数据段的一部分；源程序中的许多语句，例如“ i++; for(i=0; i<10; i++);”等，在可执行文件中，它们对应着许多不同的机器代码指令，这些机器代码指令经CPU执行，就完成了你所期望的工作。可以这么说：程序代表你期望完成某工作的计划和步骤，它还浮在纸面上，等待具体实现。而具体的实现过程就是由进程来完成的，进程可以认为是运行中的程序，它除了包含程序中的所有内容外，还包含一些额外的数据。程序和进程的组成如图4.1所示。

程序装入内存后就可以运行了：在指令指针寄存器的控制下，不断的将指令取至CPU运行。这些指令控制的对象不外乎各种存储器（内存、外存和各种CPU寄存器等），这些存储器中保存有待运行的指令和待处理的数据，当然，指令只有得到CPU才能发挥其作用。可见，在计算机内部，程序的执行过程实际上就是一个执行环境的总和，这个执行环境包括程序中各种指令和数据，还有一些额外数据，比如说寄存器的值、用来保存临时数据（例如传递给某个函数的参数、函数的返回地址、保存变量等）的堆栈（包括程序堆栈和系统堆栈）、被打开文件的数量及输入输出设备的状态等等。这个执行环境的动态变化表征程序的运行。我们就把这个环境称作“进程”，它代表程序的执行过程，是一个动态的实体，它随着程序中指令的执行而不断地变化。在某个特定时刻的进程的内容被称为进程映象（process image）。

Linux是一个多任务操作系统，也就是说，可以有多个程序同时装入内存并运行，操作系统为每个程序建立一个运行环境即创建进程，每个进程拥有自己的虚拟地址空间，它们之间互不干扰，即使要相互作用（例如多个进程合作完成某个工作），也要通过内核提供的进程间通信机制（IPC）。Linux内核支持多个进程虚拟地并发执行，这是通过不断地保存和切换程序的运行环境而实现的，选择哪个进程运行是由调度程序决定的。注意，在一些UNIX书籍中，又把“进程切换”（Process Switching）称为“环境切换”或“上下文切换”（Context Switching），这些术语表达的意思是相同的。

进程运行过程中，还需要其他的一些系统资源，例如，要用CPU来运行它的指令、要用系统的物理内存来容纳进程本身和它的有关数据、要在文件系统中打开和使用文件、并且可能直接或间接的使用系统的物理设备，例如打印机、扫描仪等。由于这些系统资源是由所有进程共享的，所以Linux必须监视进程和它所拥有的系统资源，使它们们可以公平地拥有系统资源以得到运行。

系统中最宝贵的资源是CPU，通常来说，系统中只有一个CPU，当然也可以有多个CPU（Linux支持SMP___对称多处理机）。Linux作为多任务操作系统，其目的就是让CPU上一直都有进程在运行，以最大限度地利用这一宝贵资源。通常情况下，进程数目是多于CPU数目的，这样其他进程必须等待CPU这一资源。操作系统通过调度程序来选择下一个最应该运行的进程，并使用一系列的调度策略来确保公平和高效。

进程是一个动态实体，如图4.1所示，进程实体由三个独立的部分组成：

（1）正文段（text）：存放被执行的机器指令。这个段是只读的（所以，在这里不能写自己能修改的代码），它允许系统中正在运行的两个或多个进程之间能够共享这一代码。例如，有几个用户都在使用文本编辑器，在内存中仅需要该程序指令的一个副本，他们全都共享这一副本。

（2）用户数据段（user segment）：存放进程在执行时直接进行操作的所有数据，包括进程使用的全部变量在内。显然，这里包含的信息可以被改变。虽然进程之间可以共享正文段，但是每个进程需要有它自己的专用用户数据段。例如同时编辑文本的用户，虽然运行着同样的程序__编辑器，但是每个用户都有不同的数据：正在编辑的文本。

（3）系统数据段（system segment）：该段有效地存放程序运行的环境。事实上，这正是程序和进程的区别所在。如前所述，程序是由一组指令和数据组成的静态事物，它们是进程最初使用的正文段和用户数据段。作为动态事物，进程是正文段、用户数据段和系统数据段的信息的交叉综合体，其中系统数据段是进程实体最重要的一部分，之所以说它有效地存放程序运行的环境，是因为这一部分存放有进程的控制信息。系统中有许多进程，操作系统要管理它们、调度它们运行，就是通过这些控制信息。Linux为每个进程建立了task_struct数据结构来容纳这些控制信息。

总之，进程是一个程序完整的执行环境。该环境是由正文段、用户数据段、系统数据段的信息交织在一起组成的。