4 进程概述

一、进程的概念

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性的特征。为此引入了进程(Process)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。

PCB(Process Control Block)是进程的唯一标志，系统利用PCB来描述进程的基本情况和运行状态（PCB常驻内存，系统可在任一时刻存取），进而控制和管理进程。相应地，由程序段、相关数据段和PCB三部分构成了进程映像（进程实体）。创建和撤销进程，实质上是创建和撤销进程映像中的PCB；进程映像是静态的，进程则是动态的。

在没有引入线程的系统中，进程是系统资源分配和系统调度的独立单位。

二、进程的特征

进程是由多程序的并发执行而引出的，它和程序是两个截然不同的概念。进程相对于程序的的基本特征如下：

• 动态性：进程是程序的一次执行，它有着创建、活动、暂停、终止等过程，具有一定的生命周期，是动态地产生、变化和消亡的。动态性是进程最基本的特征。

• 并发性：指多个进程实体，同存于内存中，能在一段时间内同时运行，并发性是进程的重要特征，同时也是操作系统的重要特征。引入进程的目的就是为了使程序能与其他进程的程序并发执行，以提高资源利用率。

• 独立性：指进程实体是一个能独立运行、独立获得资源和独立接受调度的基本单位。凡未建立PCB的程序都不能作为一个独立的单位参与运行。

• 异步性：由于进程的相互制约，使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。异步性会导致执行结果的不可再现性，为此，在操作系统中必须配置相应的进程同步机制。

• 结构性：每个进程都配置一个PCB对其进行描述。从结构上看，进程实体是由程序段、数据段和进程控制段三部分组成的。

三、进程的状态转换

进程在执行时的间断性决定了进程具有多中状态。通常进程有五种状态，前三种是进程的基本状态：

• 1）就绪状态
  进程已处于准备运行的状态，即进程获得了除处理机之外的一切所需资源，一旦得到处理机即可运行。
• 2）运行状态
  进程正在处理机上运行。在单处理机环境下，每一时刻最多只有一个进程处于运行状态
• 3）阻塞状态
  又称等待状态。正在执行的进程由于等待某一事件的发生而暂停运行，导致等待的事件有：请求I/O，申请缓冲空间等。
• 4）创建状态
  创建一个进程通常有两步骤：申请PCB，填写必要的管理信息；其次，把进程转入就绪状态并插入就绪队列之中。当进程拥有了PCB，但主存等资源尚未分配，进程此时不能调度执行，处于创建状态。创建状态的引入，增加了系统的灵活性：系统可以根据性能和主存容量限制，推迟提交创建的进程。
• 5）终止状态
  又称结束状态。进程的终止同样分为两个步骤，首先系统进行资源回收，然后将进程PCB清零。当一个进程自然结束、遇到无法克服的错误、被操作系统终止或被其他有权限的进程所终结时，它将进入终止状态。

在一些系统中，增加了挂起状态，引入挂起的原因如下：

• 1）终端用户请求
  终端用户在进程运行期间发现可疑问题时，有暂停进程，观察分析的需求。

• 2）父进程请求
  有时父进程希望挂起某个子进程，以便考察和修改子进程。

• 3）负荷调节需要
  当实时系统中的工作负荷较重，可能影响到实时任务的交付时，可疑把一些不重要的进程挂起，以保证系统正常运行。

• 4）操作系统需要
  操作系统有时希望挂起某些进程，以便检查器运行中的资源使用情况，以做记录。

四、进程的组织

PCB

PCB的结构如下：

下面对PCB的各部分做简要说明：

• 1）进程描述信息
  进程标识符：标识各个进程，每个进程都拥有唯一的标识号。
  用户标识符：进程归属的用户，用户标识符主要为共享和保护服务。

• 2）进程控制和管理信息（调度信息）
  进程当前状态：描述进程的状态信息，作为处理机分配的依据
  进程优先级：描述进程抢占处理机的优先级
  事件：进程由执行状态变为阻塞状态所等待的事件，阻塞原因。
  进程调度需要的其他相关信息：如CPU时间总和、已执行时间总和等

• 3）资源分配清单
  用于说明有关内存地址空间或者虚拟地址空间的状况、所打开文件的列表和所使用的I/O设备等信息。

• 4）处理机相关信息
  主要指处理机中各寄存器值，当前进程被切换时，处理机状态信息都保存在相应的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：通用寄存器（又称为用户可视寄存器，用户可以访问）、指令寄存器（用于保存当前正在执行的一条指令）、程序状态字PSW（含有状态信息，执行方式、中断屏蔽等标识）以及用户栈指针。

PCB的组织

在一个系统中，通常存在这许多进程，有的处于就绪状态，有的出于阻塞状态，而阻塞的原因各不相同。为方便进程的调度和管理，需要将各进程用适当的方式组织起来。目前常用的组织方式有链接方式和索引方式两种：

• ** 1）链接方式**
  链接方式将同一状态的PCB链成一个队列，不同状态对应不同的队列，也可以把阻塞的进程PCB根据不同的阻塞原因，排在不同的队列中。同一队列内部按照优先级进行排序。

• 2）索引方式
  索引方式是将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，不同状态对应不同的索引表，如就绪索引表和阻塞索引表。

程序段

程序段即为程序代码段，其可以被多个进程所共享。多个进程可以运行同一个程序。

数据段

一个进程的数据段，可以是进程对应的程序加工处理的原始数据，也可以是程序执行时产生的中间或最终结果。